Kvantová relé: Jak řešíme problém vzdálenosti v kvantové komunikaci

V roce 2026 se nacházíme v éře, kdy se kvantová distribuce klíčů (QKD) stává standardem pro zabezpečení kritické státní a korporátní infrastruktury. Přestože jsme v rámci iniciativy EuroQCI propojili hlavní evropské metropole, stále narážíme na jeden z největších fundamentálních problémů kvantové fyziky v praxi: útlum signálu v optických vláknech. Zde přicházejí na scénu kvantová relé.

Proč nemůžeme použít běžné zesilovače?

V klasických optických sítích používáme k přenosu dat na dlouhé vzdálenosti opakovače, které signál jednoduše zesílí nebo zregenerují. V kvantovém světě je to však nemožné kvůli teorému o zákazu klonování (no-cloning theorem). Jakmile se pokusíme neznámý kvantový stav (qubit) změřit nebo zkopírovat, dojde k jeho nenávratnému poškození. To znamená, že klasické zesílení by zničilo samotnou podstatu kvantového zabezpečení.

Kvantová relé a výměna provázání

Kvantové relé je zařízení, které obchází problém útlumu bez nutnosti měřit přenášenou informaci. Funguje na principu výměny provázání (entanglement swapping). Namísto přímého odeslání fotonu z bodu A do bodu B na vzdálenost 200 km, což by vedlo k téměř jisté ztrátě částice, rozdělíme trasu na kratší úseky.

• Vytvoření párů: Bod A a relé R vytvoří provázaný pár fotonů. Stejně tak bod B a relé R.
• Bellovo měření: V relé R proběhne speciální operace zvaná Bellovo měření na dvou fotonech, které do něj dorazily.
• Propojení: Výsledkem tohoto měření je, že se fotony v bodech A a B stanou vzájemně provázanými, přestože spolu nikdy přímo neinteragovaly.

Tento proces efektivně eliminuje potřebu, aby jediný foton přežil cestu celým dlouhým vláknem. Tím se dramaticky zvyšuje dosah a stabilita kvantové sítě.

Relé vs. Opakovače: Stav v roce 2026

Často dochází k záměně pojmů kvantové relé a kvantový opakovač. Rozdíl je v kvantové paměti. Zatímco plnohodnotné kvantové opakovače vyžadují schopnost uložit kvantový stav (což je v roce 2026 stále technologicky náročné a nákladné pro masové nasazení), kvantová relé pracují v režimu "on-the-fly". Jsou sice méně efektivní při extrémně vysokých šumových ztrátách, ale jsou řádově jednodušší na výrobu a údržbu, což z nich dělá aktuální páteř našich národních kvantových tras.

Význam pro budoucnost

Díky nasazení kvantových relé se nám v České republice podařilo překonat dřívější limit zhruba 100 kilometrů, který omezoval přímé spojení mezi Prahou a dalšími regionálními centry bez nutnosti budovat drahé důvěryhodné uzly (trusted nodes). Kvantová relé jsou mostem, který nás vede k plnohodnotnému kvantovému internetu příští dekády.