Úsvit kvantové komunikace díky Číně  
Čínu máme většinou spojenou s levnými, nekvalitními výrobky. V pondělí 15. srpna se Číně podařilo na oběžnou dráhu z kosmodromu vzdáleného 1600 kilometrů od Pekingu vyslat družici QSS, která by měla položit základní stavební kameny nového typu komunikačních technologií, které vypadají, jako kdyby k nám přišly z budoucnosti.

QSS je zkratka z Quantum Science Satellite a tento název dostatečně jasně naznačuje, na co přesně družice cílí. Jedná se o první kosmickou techniku, která ověří takzvanou kvantovou komunikaci mezi družicí a Zemí. QSS, někdy nazývaná též Micius, toho dosáhne pomocí kvantového provázání párů fotonů.

Pozemní specialisté očekávají, že družice pomůže udělat nezbytný první krok na pole zkoušení principů kvantové teleportace a sledování kvantového provázání na velkou vzdálenost.

 

 

 

Družice QSS Zdroj: https://i.imgur.com
Družice QSS Zdroj: https://i.imgur.com

O start, který nastal v pondělí 15. srpna v 19:40 středoevropského letního času, se postarala raketa Dlouhý pochod 2D, která se vznesla z rampy kosmodromu Ťiou-čchüan v poušti Gobi. Vynášený náklad dosáhl oběžné dráhy deset minut po startu a jeho ambiciózní mise by měla trvat dva roky. Oblast kvantové informatiky (Quantum Information Science) je prudce rozvíjejícím se odvětvím, které slibuje mnoho velmi zajímavých směrů včetně vysokorychlostních kvantových počítačů, nebo superzabezpečené kvantové komunikace. Oblast Quantum Key Distribution umožňuje přenos kryptografických klíčů pomocí kvantového provázání světelných jednotek – fotonů.

 

 

Kvantová komunikace mezi dvěma stanicemi je z vlastní podstaty mnohem bezpečnější, než tradiční formy spojení. pokud by se na něj napojila třetí strana, došlo by ke kolapsu provázanosti. Aby bylo dosaženo požadované úrovně bezpečnosti, disponují obě strany sdíleným šifrovacím klíčem, který kóduje polarizaci provázaných fotonů.


Teorie kvantové mechaniky předpokládají, že vlastnosti provázaných fotonů zůstávají provázané na libovolnou vzdálenost. Zatím byly při snahách o zkoumání kvantové komunikace možné pouze zkoušky na vzdálenost v řádu stovek kilometrů. Optická vlákna i zemská atmosféra totiž ovlivňují fotony i jejich vlastnosti. Ovšem na oběžné dráze panuje vakuum a cesta optického signálu je tak mnohem jednodušší. Družice Micius by tak mohla ověřit komunikaci v globálním měřítku.

 

Základní princip fungování družice Quantum Science Satellite se točí kolem krystalu, který generuje páry provázaných fotonů, jejichž vlastnosti zůstávají navzájem provázané bez ohledu na jejich vzdálenost. Vysoce přesný optický komunikační systém zodpovídá za doručování svázaných párů do optických pozemních stanic ve Vídni a Pekingu. Tady se jejich polarizační vlastnosti využijí k vytvoření kódovacího klíče.


 

Generátor kvantové provázanosti na družici QSS. Zdroj: spaceflight101.com
Generátor kvantové provázanosti na družici QSS. Zdroj: spaceflight101.com

Satelit QSS by měl po základním kole zkoušek kvantové komunikace přestoupit na složitější úkol. Technici by rádi družici využili pro ověření schopnosti přeposílat data z Pekingu do Vídně právě přes satelit na oběžné dráze. Plán počítá s kvantovou teleportací použitím informací o vlastnostech fotonů k jejich vytvoření v určitém kvantovém stavu na různých stanovištích. Pokud čínský projekt uspěje, dá se očekávat rozvoj podobných projektů v podání ostatních států, což by výrazně přiblížilo éru kvantového internetu, která se zatím zdá nereálná.

 

 

Start rakety Dlouhý pochod 2D s družicí QSS.  Zdroj: spaceflight101.com
Start rakety Dlouhý pochod 2D s družicí QSS. Zdroj: spaceflight101.com

 

Raketa Dlouhý pochod 2D dokáže na nízkou oběžnou dráhu dopravit až tři a půl tuny nákladu, pro dráhu heliosynchronní pak její nosnost dosahuje 1 300 kg. Raketu vyvinula Šanghajská akademie kosmických technologií, aby byla schopná létat na různé oběžné dráhy včetně již zmíněné nízké, nebo heliosynchronní. Nosič se skládá ze dvou stupňů. První je identický s tím, který používá raketa Dlouhý pochod 4, druhý stupeň je odvozen od toho, na Dlouhém pochodu 4, ale nese několik konstrukčních rozdílů především v elektronické výbavě.

 

Dlouhý pochod 2D s družicí QSS startuje.  Zdroj: spaceflight101.com
Dlouhý pochod 2D s družicí QSS startuje. Zdroj: spaceflight101.com

 

Raketa měří na výšku 41 metrů a její průměr činí 3,3 metru. Při startu váží 232 tun a po dobu 170 sekund po startu raketu pohání motor YF-21C s tahem 2 962 kN. Tento stupeň měří 28 metrů a jeho nádrže ukrývají 183 tun nesymetrického dimetylhydrazinu a dimeru oxidu dusičitého. Po jeho odhození se zapaluje motor YF-24C na druhém stupni. Ten měří na délku 11 metrů a plně natankovaný váží 45,6 tuny. Také zde se používá směs nesymetrického dimetylhydrazinu a dimeru oxidu dusičitého, přičemž hmotnost pohonných látek činí 39,5 tuny. Tah motoru činí 742 kN a pro drobné korekce orientace je stupeň vybaven čtveřicí Vernierových motorů s tahem 47,1 kN. Raketa může používat dva typy aerodynamických krytů (průměry 2,9 a 3,3 metru) podle velikosti vynášeného nákladu.

 

Společně s družicí QSS se do vesmíru vydali dva malí spolucestující. Prvním z nich byl španělský 6U cubesat a malá družice LX-1, která bude zkoumat parametry atmosféry ve výškách 100 – 150 kilometrů.

 

Zdroje informací:

http://spaceflight101.com/
http://forum.kosmonautix.cz/
https://www.nasaspaceflight.com/

Zdroje obrázků:
https://i.imgur.com/fEGhtck.jpg
https://i.imgur.com/oOZ0B1D.jpg
https://i.imgur.com/0iOeGTK.jpg
http://spaceflight101.com/wp-content/uploads/2016/08/135395668_14644797570191n.jpg
http://spaceflight101.com/wp-content/uploads/2016/08/Cp63PLsXYAEjlhV.jpg
http://spaceflight101.com/wp-content/uploads/2016/08/Cp63O-DWEAQ0GJM.jpg

Psáno pro Kosmonautix a osel.cz

Autor: Dušan Majer
Datum: 18.08.2016
Tisk článku

Čína - Harper Damian
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 590 Kč
cena: 501 Kč
Čína
Harper Damian
Související články:

Kvantová kryptografie – zprávy z přední linie     Autor: Kamil Brádler (12.01.2007)
Podivnosti kvantového světa     Autor: Vladimír Wagner (21.06.2010)
Kvantová teleportace na rekordní vzdálenosti     Autor: Vladimír Wagner (20.06.2012)
Velké plány Říše středu     Autor: Dušan Majer (11.12.2012)
V kosmonautice neexistují nevýznamné drobnosti     Autor: Dušan Majer (30.09.2013)
Čínské vozítko vyrazilo k Měsíc     Autor: Dušan Majer (02.12.2013)
Ztratila Čína své lunární vozítko?     Autor: Dušan Majer (29.01.2014)
Ochrnutý králík ještě žije     Autor: Dušan Majer (29.08.2014)
Nová čínská stanice – už letos     Autor: Dušan Majer (07.03.2016)



Diskuze:

číňan je prý hodný

frk  ,2016-08-19 18:23:04

Jak dojemné, že lídr projektu Pchan Ťien-wej, který má za úkol posunout vpřed čínskou národní bezpečnost, si nechá s tou kvantovou mašinkou taky chvilku pohrát svého bývalého školitele z Rakouska.

Odpovědět

Články a diskuze o kvantové teleportaci

Vladimír Wagner,2016-08-19 15:03:42

Dovolím si zde odkázat na dva své články o kvantové teleportaci. Vřele u nich doporučuji hlavně diskuzi s velice fundovanými příspěvky Pavla Brože (pozor, některé příspěvky do diskuze stojí za to naopak přeskočit :-)):

http://www.osel.cz/5110-podivnosti-kvantoveho-sveta.html

http://www.osel.cz/6316-kvantova-teleportace-na-rekordni-vzdalenosti.html

Odpovědět

Jirka Polách

,2016-08-18 21:03:57

Dobrý den, rád čtu příspěvky na Oslu a díky za ně. Nicméně tento článek nadpisem slibuje něco, co se několikrát vynoří z mlhy a ihned se zase v mlze skryje. Nečekám, že mi zde bude vysvětleno kvantové provázání fotonů (stejně bych to nepochopil)
Možná to chtělo jen jiný název článku.

Hezký den
Jirka Polách Ostrava

Odpovědět


Re: článek

Pavel Brož,2016-08-18 23:16:48

Musím se autora zastat. Jádrem článku evidentně není, a zřejmě ani nemělo být, zasvěcovat laiky do detailů kvantové komunikace, protože to není v silách nikoho vysvětlit to od základů v rozsahu jednoho článku. Z nadpisu si sice opravdu může někdo slibovat informaci o podstatě kvantové komunikace, na druhou stranu tentýž nadpis je celkem adekvátní pro článek informující o tom, že Čína udělala důležitý krok potřebný pro realizaci kvantové komunikace na velké vzdálenosti. Sám bych pouze nepoužil slovo úsvit, protože počátek kvantové komunikace využívané v praxi se odehrál už před více než dvaceti lety, akorát v optických vláknech namísto přímého přenosu vzduchem či vakuem, nicméně pro kvantovou komunikaci i tak půjde o důležitý milník.

Bohužel, pro čtenáře bez znalosti angličtiny je nemožné si třeba na české wikipedii dohledat potřebné detaily. Z tří klíčových pojmů použitých v článku, konkrétně kvantového provázání (quantum entanglement), kvantové teleportace (quantum teleportation) a kvantové distribuce kryptografických klíčů (quantum key distribution) jsou na české wikipedii dohledatelné pouze první dva (druhý z nich pod jednoslovným termínem teleportace), a to ještě jen v podobě pahýlů neumožňujících jakékoliv bližší vysvětlení problematiky. To ale samozřejmě není chyba autora článku.

Odpovědět


Re: Jirka Polách

Vojtěch Kocián,2016-08-19 07:33:42

Článek byl původně psán pro server kosmonautix.cz a tam bylo celkem jasné, že se zmiňovaná kvantová komunikace a její úsvit bude vztahovat k raketám a satelitům. Na Oslu s širším záběrem už to jasné není, takže by se asi opravdu hodil jiný nadpis.
Možná by nebylo od věci, kdyby se tématu chopil i jiný autor, který by ho vysvětlil více v rovině vědecké (pokud tedy Číňané zveřejnili o experimentu dost údajů). Pan Majer je přece jen expertem spíše přes kosmickou techniku než přes kvantovou mechaniku.

Odpovědět


Re: Re: Jirka Polách

Pavel Brož,2016-08-19 11:07:43

Neslibuji, podívám se na to přes víkend a zvážím to. Sám mám v úmyslu založit web poskytující jakýsi znalostní background třeba pro některé fyzikální články zde na oslu. Ne jako konkurenci osla, spíše doplnění. Osel je orientován na novinky, ty třeba já sám aktivně nesleduji a dozvídám se o nich právě z osla. Na druhou stranu při upřesňování článků v komentářích na oslu by dost pomohlo mít možnost se odkázat na nějaký přístupně vysvětlený základ problematiky, aby to člověk nemusel pořád vysvětlovat od nuly. Protože bych tam byl ale schopen přispívat tak maximálně jednou za měsíc, bavím se o tom i s dalšími svými přáteli. A protože každý máme svých vlastních pracovních či osobních problémů nad hlavu, jde to příšerně pomalu :-) Doufám, že do konce roku by se to snad mohlo konečně narodit.

Takových rozšiřujících webů může být samozřejmě více, ať už z fyziky či jiných oborů, proto pokud máte kdokoliv chuť vytvořit svůj vlastní web, směle do toho. Diskutoval jsem to s majitelem osla Josefem Pazderou a jemu se ta myšlenka líbí. Příkladem, jak by to mohlo fungovat, je např. web dinosaurusblog.com Vladimíra Sochy či archiv odborných i popularizačních článků Vladimíra Wagnera. Autoři těch webů můžou psát články pro svůj vlastní web, a pokud se u některého článku dohodnou s Josefem Pazderou na současném uveřejnění na oslu, na konci by mohlo být např. "Psáno pro web xxxxx a osel.cz" nebo něco podobného. Profit z takové spolupráce by měly oba servery.

Odpovědět

Přenos

David Oplatek,2016-08-18 11:03:07

Jak ta komunikace vlastně funguje? Vyšlou světelný paprsek dolů na zem do detektoru nebo jak? Jak moc je to náchylné na rušení?

Odpovědět


Re: Přenos

Tomáš Kohout,2016-08-18 13:54:27

Přenos kvantového stavu vysvětloval na fóru Kosmonautixu fyzik Vítězslav Škorpík : http://forum.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=43&t=1741&start=10#p66330

Odpovědět


Re: Přenos

frk  ,2016-08-19 15:55:52

Ano, tak nějak. Už je to odzkoušené vzduchem na vzdálenost skoro na 150 km. Hledejte Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward.

Odpovědět


Re: Přenos

Jan Kotek,2016-08-19 16:51:33

Mám obavu, že článek tuto oblast spíše zamlžuje. Družice sloučí jako zdroj kvantově provázaných fotonů. U těch víme, že pokud má jeden polarizaci horizontální, musí mít druhý polarizaci opačnou, tedy vertikální. I když každý z nich změříme v Pekingu a ve Vídni zároveň.
Fígl spočívá v tom, že družice vysílá dvojice fotonů polarizovaných ve dvou různých rovinách pootočených o 45 stupňů. Tedy horizontálně/vertikálně (H/V) a "šikmo nahoru vlevo/vpravo" (L/P), a to náhodně.
Sice platí, že pokud je foton polarizován H/V a já měřím v L/P rovině, tak dostanu naprosto náhodný výsledek. U H/V fotonu například změřím polarizaci L - vlevo nahoru. Kvantová provázanost ale "strašidelně na dálku" způsobí, že druhý foton změřený též v L/P rovině musí mít polarizaci opačnou, tedy P - vpravo nahoru.
Takže tu máme satelit, který vysílá dvojice provázaných fotonů náhodně s H/V a L/P polarizací. Ve Vídni a Pekingu stejně náhodně měří polarizaci H/V a L/P detektorem a přesně sledují, kdy použili jaký detektor. Poté se navzájem domluví, jak měli své detektory nastavené a vyberou pouze ty výsledky, u kterých měřili ve stejné rovině. A u nich mají jistotu, že kyž změřili "1" (např. L), tak druhá straně vyšlo "0" (tedy P).
Výsledkem je, že Vídeň a Peking mají oba stejný náhodný řetězec nul a jedniček. Ten pak mohou použít jako sdílený klíč ke klasické šifře nebo jako jednorázovou šifru kterou nikdo neprolomí. Další kvantový mechanismus totiž způsobí, že pokud by někdo čmuchal mezi satelitem a Vídní, tak nedokáže obnovit předávaný foton do původního, provázaného stavu a takové napadení komunikace lze snadno detekovat.

Odpovědět


Re: Re: Přenos

Pavel Brož,2016-08-19 17:14:23

Ano, to co popisujete je v podstatě myšlenka, na níž je postaven tzv. protokol BB84 používaný v kvantové kryptografii, viz např.:

https://en.wikipedia.org/wiki/BB84

Mnohem lepší popis tohoto protokolu je v české publikaci Koncepční otázky kvantové teorie od Miloslava Duška, kterou můžu všem zájemcům o kvantovou teleportaci, kvantové šifrování, kvantový computing atd. vřele doporučit.

Odpovědět


Re: Re: Přenos

Pavel Bílek,2016-08-19 18:19:52

Dovolím si upřesnit: Družice nedělá nic náhodně. Posílá pořád stejnou dvojici fotonů, které jsou pokaždé v té stejné superpozici různých polarizací.

Odpovědět


Re: Re: Re: Přenos

frk  ,2016-08-19 18:56:14

Ta náhodnost pro klíč se bere kde? Ze samostatného generátoru náhodných čísel, který tam někde mechanicky otáčí polarizátorem? Představoval jsem si, že připravený pár provázaných fotonů je v náhodném kvantovém stavu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Přenos

frk  ,2016-08-19 19:06:10

(řekl jsem záměrně "náhodnost", místo doslova klasického "entropie", což by se asi nehodilo.. nová doba :) )

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Přenos

Pavel Bílek,2016-08-19 19:33:19

Příjemci fotonů nezávisle na sobě náhodně volí bázi (+ nebo x), ve které měří. To, ve kterých bázích měrili, si následně řeknou (nechráněně zveřejní). V průměru v polovině případů zvolili stejnou bázi (++ nebo xx). Zbylou polovinu případů (+x nebo x+) zahodí.
Z těch případů, kdy měřili ve stejné bázi, vyberou náhodně určité procento případů, které si porovnají (zveřejní je), jestli jsou naměřené výsledky kolmé. Když nejsou všechny kolmé, tak zjevně došlo k narušení komunikace (útočník nebo fyzikální vliv). Když kolmé jsou, tak věří tomu, že kolmé jsou i ty případy, které si neporovnali a o kterých nikdo jiný neví, jaké jsou. Čím větší procento případů (bitů) si porovnají, tím větší jistotu mají, že i ty zbylé nezveřejněné jsou kolmé, když ty porovnané jsou kolmé.
Nemusí být kolmé všechno. Například z 1000 zašumělých bitů lze seskupením po 10 bitech určit 100 bitů (podle převažujících 0 nebo 1 ve skupině 10 bitů), u kterých je už přijatelná odhadnutelná pravděpodobnost stejnosti.

Odkud se bere náhodnost při měření superpozice je hlubší otázka. Pokusil jsem se tu problematiku přiblížit na http://www.quantum-mechanics.info/

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Přenos

Pavel Bílek,2016-08-19 19:43:11

To s tím seskupením bitů po 10 jsem nedomyslel...

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Přenos

Pavel Bílek,2016-08-19 20:08:08

Od zašumělé posloupnosti s náhodným pořadím 0 a 1 k o hodně kratším klíčům, které jsou skoro jistě stejné, se lze dobrat třeba tak, že obě strany, které na vygenerování společného klíče pracují, identifikují v té skoro stejné posloupnosti, kterou sdílejí, shluky obsahující hodně 0 nebo naopak hodně 1, a vymění si (nechráněně zveřejní), kde se ty shluky nacházejí, aniž by sdělovaly, čeho tam mají hodně.
Nebo jinak: Posloupnost se rozdělí na úseky, ze kterých se odvodí kratší hashe. Hashe se porovnají a ty případy, kde hash souhlasí, se XORují do výsledku, který už nejde z hashů odhadnout.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Přenos

Pavel Bílek,2016-08-19 21:56:43

To původně uvedené seskupování sousedních 10 bitů je vlastně dost dobře použitelné: Vezme se vždy posloupnost 10 bitů a náhodně se rozhodne, jestli se převrátí 0 na 1 a 1 na 0, nebo jestli se nechá tak, a pošle se druhé straně. Druhá strana snadno pozná, jestli ta posloupnost je nebo není porušená. Nahlásí, jestli je nebo není porušená, a když není, tak se vezme její první bit. Každý může tu komunikaci vidět, protože neví, jestli zaslaná posloupnost byla či nebyla invertovaná.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Přenos

frk  ,2016-08-19 20:20:36

Takže, je ten foton (entanglovaný pár) v náhodné superpozici nebo není? Předtím jste psal, že ne..

O protokolu BB84 jsem už něco málo četl/shlédl, ale přijde mi trochu obskurní, s tím statistickým testem na vzorku, apod. Koukám, že těch protokolů se už vyvinulo vícero (BBM92, DPS, COW)..

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Přenos

Pavel Bílek,2016-08-19 20:53:38

Superpozice není náhodná. Nedeterministický je až přechod od superpozice k pozorované veličině. K tomu přechodu musí dojít až v důsledku měření na zemi, ne na družici.

Odpovědět


Re: Re: Přenos

David Oplatek,2016-08-28 20:02:41

Děkuji, já si totiž prvně představoval, že lze zjistit ty stavy okamžitě prostřednictvím jakéhosi "fluida" nebo "díry v časoprostoru" a to bez ohledu na vzdálenost, což by nakonec odporovalo Einsteinovi...

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace