Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XVII

Proti kvantovému klíči nemá žádný hacker šanci, protože i kdyby kvantový klíč přečetl, automaticky se odhalí a navíc klíč přečtením zničí (foto Shutterstock)

Chtěli byste někomu sdělit tajně, tak, aby se to opravdu nikdo nedověděl, třeba výši (nebo níži) vašeho platu? Můžete použít kvantovou kryptografii. Už jsme skoro zapomněli, že v roce 2006 odstartovala vesmírná sonda New Horizon a vydala se na cestu k trpasličí planetě Pluto. Fascinující je, že celou dobu byla sonda ve stavu hybernace a teď ji pracovníci NASA oživili, aby splnila svůj úkol a prohlédla si zblízka planetu Pluto. A nakonec vzkaz pro některé moderátory: I fyzici jsou lidé, a to velmi užiteční a potřební. Nejen sociologové, politologové a jim podobní nesou na svých bedrech pokrok společnosti.

Kvantová kryptografie a satelity

Výměna zpráv s takřka absolutní bezpečností využitím podivuhodných zákonitostí kvantové mechaniky bude v budoucnosti možná – stejně jako jsou možné dnes zcela běžné kryptografické metody. Tvrdí to italští fyzici, kteří zjistili, že kvantové stavy potřebné pro kvantovou kryptografii mohou být přenášeny s pomocí laseru z družice na oběžné dráze k příjemci na zemském povrchu. Podle jejich mínění by mohla být relativně jednoduchá technologie, potřebná pro bezpečné zakódování zprávy, zabudována do konvenčních komunikačních satelitů.

Jak to funguje? Kvantová kryptografie dovoluje dvěma partnerům sdílet tajný klíč, který je tvořen kvantovými stavy částic, jako je třeba foton. Aby byl přenos bezpečný, je zapotřebí, aby si odesílatel a příjemce vyměňovali zprávy zakódované tímto tajným klíčem. A právě proti kvantovému klíči nemá žádný hacker šanci, protože i kdyby kvantový klíč přečetl, automaticky se odhalí a navíc klíč přečtením zničí.

Takové kryptografické systémy se již komerčně vyrábějí, používají ale optická vlákna. Ztráty v kabelech omezují vzdálenost, na kterou může být kvantový klíč přenesen, na přibližně 100 km. Tato vzdálenost se nedá zvětšit opakovačem, jako je tomu v případě klasických dat, protože není možno přenést nutné zesílení. Kvantové bity (qubity) se dají přenášet i atmosférou, jenže tady zase vadí zakřivení Země.

Takže je jasné, že by mohly pomoci satelity. Jeden satelit by mohl například vysílat kvantová data dvěma uživatelům na zemském povrchu a umožnit jim sdílet tajný klíč. Dodnes ale žádný satelit, který by byl schopen generovat nebo detekovat kvantové stavy, na oběžné dráze není.

Fyzici z univerzity v Padově na to šli chytře. Využili zařízení Matera Laser Ranging Observatory v Jižní Itálii. Toto zařízení posílá laserové pulsy na satelity a měří pulsy odražené. Účelem je zjistit malé kolísání zemského magnetického pole. V roce 2008 tým ve spolupráci s kolegy z Vídně zkoumal odraz velmi slabého laserového pulsu od satelitu a následně ukázal, že citlivost zařízení je vyšší než jeden foton na puls.

Teď italská skupina ukázala, že je možné zachovat polarizační stavy takových fotonů. To je totiž pro kvantovou kryptografii zásadní požadavek, protože právě polarizační vlastnosti, což je prostorová orientace oscilací vlnění, se využívají k definování hodnoty qubitů vytvářejících kvantový klíč.

Fotony z laseru na italské observatoři se nacházely v jednom ze čtyř možných polarizačních stavů. Paprsky s těmito polarizačními stavy vědci vysílali v záblescích trvajících 10s na pět satelitů obíhajících ve výšce 2 000 km nad zemským povrchem. Cílem bylo zjistit, jestli jsou schopni omezit počet qubitů, které mají po odrazu od satelitu chybnou polarizaci, na hodnotu nižší než 11 %. Při vyšších hodnotách totiž informační teorie nedovoluje vytvářet žádný tajný klíč. Italové zjistili, že na čtyřech satelitech, které měly kubické odrážeče pokryté kovovou vrstvou, byla chyba v jednotkách procent, zatímco u pátého satelitu, který měl odrážeč nepokrytý, dosahovala až 40 %. Myšlenka interakce kvantového klíče mezi terminálem obíhajícím na satelitu a pozemní stanicí je tedy v současnosti realizovatelná.

Zúčastnění vědci tvrdí, že jednoduchá modifikace existujících odrážečů by mohla pomoci zrealizovat vytváření kvantového klíče přímo na satelitu. Bylo by potřeba pouze ke každému odrážeči přidat Faradayův rotátor a generátor náhodných čísel. Faradayův rotátor je optické zařízení, které umožňuje prostřednictvím přesně nastaveného magnetického pole změnit orientaci roviny polarizace. Čínští fyzici už dokonce vyvinuli satelit, který bude generovat kvantové klíče, a plánují ho vyslat na oběžnou dráhu příští rok. Na tomto satelitu se budou vytvářet kvantově provázané páry fotonů a potom bude polovina každého páru poslána současně dvěma komunikujícím partnerům na zemi. Zvláštní uspořádání odrážečů dovoluje přenášet klíč i každému uživateli separátně. Tento systém bude i podle italských fyziků mnohem levnější a bude se snadněji instalovat na satelitech.

Trpasličí planeta a sonda New Horizon

V roce 2006 odstartovala sonda New Horizon s cílem vytofografovat „zblízka“ trpasličí planetu Pluto a studovat Kuiperův pás. Sonda byla na řadu let hybernována a probuzena k činnosti v přesně určené oblasti. Už to samo o sobě zní jako nějaké sci-fi. Ještě nedávno měla naše sluneční soustava devět planet. Teď je ta devátá, Pluto, prohlášena Mezinárodní astronomickou unií za pátou trpasličí planetu a tvoří skupinu spolu s trpasličími planetami Eris, Makemake, Haumea a Ceres. Toto rozhodnutí z roku 2006 je založeno na faktu, že se oběžná dráha Pluta překrývá s dalšími objekty, jako jsou asteroidy a planeta Neptun. Někteří astronomové toto rozhodnutí považují za chybné a argumentují tím, že i ostatní planety, včetně Země, sdílejí oběžnou dráhu s jinými tělesy.

Senzační obrázky Pluta už sonda vyslala. Teď se blíží k trpasličí planetě a je vzdálená 7,5 miliardy km od Země. Sonda se dostane do vzdálenosti 12 500 km od Pluta, takže to, co uvidí, bude zcela unikátní. Na tuto nejkratší vzdálenost se dostane v úterý 14. července a potom bude pokračovat hlouběji do Kuiperova pásu.

Sonda nese sedm vědeckých zařízení, včetně viditelných, infračervených a ultrafialových snímačů obrazu a spektrometrů. Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) byl použit k získání obrázku, na kterém je vidět několik pozoruhodností. Bylo to 8. července, kdy byla sonda 8 000 000 km od Pluta. Astrofyziky zajímá především podlouhlá temná skvrna kolem rovníku planetky, kterou pojmenovali „velryba“. Velká srdcovitá jasná skvrna měří v průměru 2 000 km.

Tým NASA očekává, že další obrázky budou ještě zajímavější. Pluto bude vidět z menší vzdálenosti, část popisované oblasti bude zobrazena s 500krát vyšší rozlišovací schopností. Na palubě sondy je také Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation (PEPSSI), který bude studovat na příklad oxidy dusíku a uhlíku, které jsou vyvrhovány z atmosféry Pluta a následně ionizovány ultrafialovým zářením ze Slunce. Fyzici z NASA pomohli navrhnout a zrealizovat pro PEPPSI nízkoenergetické integrované obvody a vyvinuli technologii, která se bude vylepšovat a bude použita pro další mise. Všechno na sondě a zvláště na PEPPSI bylo uděláno co nejmenší, ale přitom co nejspolehlivější a s minimální spotřebou energie. Navíc přístroje musí spolehlivě pracovat v extrémních atmosférických podmínkách. PEPPSI je nejkompaktnějším spektrometrem energetických částic s nejmenší spotřebou energie, který byl až dosud do vesmíru vyslán.

I když se zdálo, že vše jde podle plánu, pracovníci NASA se velmi vyděsili, když se 4. července na jednu hodinu přerušila komunikace se sondou. Autopilot sondy rozpoznal, že něco není v pořádku, a uvedl sondu do bezpečnostního režimu. Inženýři zjistili, že problém je v časové řídicí sekvenci.

Kvůli poruše nebylo provedeno 30 plánovaných vědeckých pozorování, nicméně šlo jen o měření předběžná, protože sonda byla ještě poměrně daleko od Pluta. Bylo tedy ztraceno jen asi 1 % plánovaných informací. Všechna zařízení na sondě už pracují normálně a všichni se těší na analyzování dat z 500 pozorování, které sonda provede, až bude míjet Pluta.

Průzkum v USA ukázal velký význam fyziků pro průmysl

Všimli jste si také, kolik moderátorů se přímo otřese, když slyší, že se kupříkladu účastník nějaké televizní soutěže, debaty nebo jiného pořadu zabývá přírodními vědami nebo že, nedej Bože, studoval přímo fyziku? A že se obává, jestli má co do činění s člověkem duševně příčetným? Teď je prostě móda studovat hlavně ekonomii, sociologii, politologii a jiné -ie, jenže ono nestačí o pokroku společnosti mluvit a peníze počítat, někdo musí být také nositelem toho pokroku a ekonomické úspěchy zajišťovat. A tady hrají fyzici jedny z prvních houslí. Jen malý příklad. Kdyby nebylo fyziky a fyziků, vyšetřovali by lékaři pravděpodobně dodnes metodou PPP (pohledem, pohmatem a poslechem). A tak dále…

American Institute of Physics provedl průzkum uplatnění fyziků s titulem PhD. Zjistil, že američtí fyzici, kteří jdou pracovat do průmyslu, netrpí ani finančně ani ztrátou intelektuálního uspokojení. Jde sice o průzkum americký, ale výsledky by se pravděpodobně příliš nelišily ani jinde. Svědčí o tom i to, že řada našich vědeckých pracovníků, kteří pracovali v zahraničí, se vrací domů, protože možnosti jejich uplatnění se i u nás výrazně zlepšují.

Teď ale zpět k oficiálnímu americkému průzkumu. Jde o první systematickou studii toho, jak se fyzici uplatňují v soukromém sektoru. Vyplývá z ní, že většinou jsou finančně dobře ohodnoceni a cítí se spokojeni. Fyzici, kteří najdou práci v soukromém sektoru, jsou podle průzkumu úspěšní i profesionálně, i když nutně nemusí využívat to nejvyšší fyzikální vzdělání. Průzkum zahrnoval několik stovek fyziků, zaměstnaných v privátním sektoru, kteří dokončili studia kolem roku 2000. Ukázalo se, že nacházejí uplatnění v řadě oborů mimo vědeckou a řídicí práci. Jde například o finanční sektor, státní správu, inženýrské obory, počítačové vědy nebo práci v jiných vědeckých, technologických a inženýrsko-matematických oborech. Prakticky všichni, kdo pracovali v oblastech, které vyžadují časté používání vědeckých a technických znalostí, považují svoji práci za intelektuálně stimulující a podnětnou.

Průzkum ukázal, že více než 75 % fyziků mělo v privátním sektoru v roce 2011 ročně plat kolem 100 000 dolarů, což je víc, než mají mnozí v akademických pozicích. Fyzici, kteří pracují na volné noze, nepodléhají stereotypu samostatných pracovníků a často provozují vlastní úspěšný byznys. O fyziky je obecně velký zájem i v různých internetových firmách.

Výzkum ukázal to, co mnozí cítí na vlastní kůži. Pokud studujete fyziku, naučíte se, jak pracovat se složitými problémy, s vedlejšími negativními efekty a nejistotami. Předurčuje vás to k práci v soukromých společnostech a máte předpoklady uspět ve firemním světě. Fyzikální vzdělání vám umožní velmi široký záběr a učiní vás velmi přizpůsobivým. A zdaleka to neplatí jen v Americe.

Původní materiály byly uveřejněny v časopisech Physical Review Letters a Physics World.


Další díly:

Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop