Što je kvantna teleportacija? Fizičar odgovara. Kvantna teleportacija Eksperiment kvantne teleportacije

U lipnju 2013. skupina fizičara pod vodstvom Eugenea Polzika uspjela je izvesti eksperiment determinističke teleportacije kolektivnog spina 10 12 atoma cezija preko pola metra. Ovaj je rad napravio naslovnicu Fizika prirode. Zašto je to doista važan rezultat, koje su bile eksperimentalne poteškoće i, na kraju, što je to “deterministička kvantna teleportacija” za Lenta.ru ispričao je Eugene Polzik, profesor i član izvršnog odbora Ruskog kvantnog centra (RCC). .

"Lenta.ru": Što je "kvantna teleportacija"?

Da biste razumjeli kako se kvantna teleportacija razlikuje od onoga što vidimo, na primjer, u seriji Zvjezdane staze, morate razumjeti jednu jednostavnu stvar. Naš svijet je dizajniran na takav način da ako želimo nešto naučiti o bilo čemu, onda ćemo u najmanjim detaljima uvijek pogriješiti. Ako, recimo, uzmemo običan atom, tada nećemo moći istovremeno mjeriti brzinu gibanja i položaj elektrona u njemu (to je ono što se zove Heisenbergov princip neodređenosti). To jest, rezultat se ne može prikazati kao niz nula i jedinica.

U kvantnoj mehanici, međutim, prikladno pitanje koje treba postaviti je: čak i ako se rezultat ne može zapisati, možda se ipak može prenijeti? Ovaj proces prijenosa informacija iznad točnosti koju dopuštaju klasična mjerenja naziva se kvantna teleportacija.

Kada se prvi put pojavila kvantna teleportacija?

Eugene Polzik, profesor na Institutu Niels Bohr, Sveučilište u Kopenhagenu (Danska), član izvršnog odbora Ruskog kvantnog centra

Godine 1993. šest fizičara - Bennett, Brossard i drugi - napisali su Physical Review Lettersčlanak (pdf), u kojem su došli do prekrasne terminologije za kvantnu teleportaciju. Također je izvanredan jer je ova terminologija od tada imala iznimno pozitivan utjecaj na javnost. U njihovom radu, protokol kvantnog prijenosa informacija opisan je čisto teoretski.

Godine 1997. izvedena je prva kvantna teleportacija fotona (zapravo, bila su dva eksperimenta - grupe Seillingera i De Martinija; Seillinger se jednostavno citira više). U svom radu teleportirali su polarizaciju fotona - smjer te polarizacije je kvantna veličina, odnosno veličina koja poprima različite vrijednosti s različitim vjerojatnostima. Kako se pokazalo, ova se vrijednost ne može izmjeriti, ali se teleportacija može učiniti.

Evo što trebate uzeti u obzir: u eksperimentima Seillingera i De Martinija teleportacija je bila probabilistička, odnosno radila je s određenom vjerojatnošću uspjeha. Uspjeli su postići vjerojatnost ne manju od 67 (2/3) posto - što je na ruskom prikladno nazvati klasičnom granicom.

Teleportacija o kojoj je riječ naziva se probabilistička. Godine 1998. mi u Caltechu napravili smo ono što smo nazvali determinističkom teleportacijom. Teleportirali smo fazu i amplitudu svjetlosnog pulsa. One su, kako kažu fizičari, baš kao i brzina i položaj elektrona, “nekomutirajuće varijable”, te se stoga pokoravaju već spomenutom Heisenbergovom principu. Odnosno, istodobna mjerenja nisu dopuštena.

Atom se može smatrati malim magnetom. Smjer ovog magneta je smjer vrtnje. Orijentacija takvog "magneta" može se kontrolirati pomoću magnetskog polja i svjetla. Fotoni – čestice svjetlosti – također imaju spin, koji se još naziva i polarizacija.

Koja je razlika između probabilističke i determinističke teleportacije?

Da bismo to objasnili, prvo moramo malo više govoriti o teleportaciji. Zamislite da točke A i B sadrže atome, po jedan radi praktičnosti. Želimo teleportirati, recimo, spin atoma iz A u B, odnosno dovesti atom u točki B u isto kvantno stanje kao atom A. Kao što sam već rekao, za to nije dovoljan jedan klasični komunikacijski kanal , pa su potrebna dva kanala - jedan klasični, drugi kvantni. Kvante svjetlosti koristimo kao nositelje kvantne informacije.

Prvo propuštamo svjetlost kroz atom B. Dolazi do procesa ispreplitanja, što rezultira uspostavljanjem veze između svjetlosti i spina atoma. Kada svjetlost stigne u A, možemo pretpostaviti da je između dvije točke uspostavljen kvantni komunikacijski kanal. Svjetlost koja prolazi kroz A čita informaciju iz atoma i nakon toga svjetlost hvataju detektori. Upravo taj trenutak možemo smatrati trenutkom prijenosa informacija putem kvantnog kanala.

Sada još samo preostaje rezultat mjerenja klasičnim kanalom prenijeti u B, kako bi na temelju tih podataka izvršili neke transformacije spina atoma (npr. promijenili magnetsko polje). Kao rezultat toga, u točki B atom dobiva stanje spina atoma A. Teleportacija je završena.

U stvarnosti, međutim, fotoni koji putuju duž kvantnog kanala se gube (na primjer, ako je taj kanal obično optičko vlakno). Glavna razlika između probabilističke i determinističke teleportacije leži upravo u odnosu prema tim gubicima. Probabilističku ne zanima koliko ih je tamo izgubljeno - ako je od milijun fotona stigao barem jedan, onda je već dobro. U tom smislu, naravno, prikladniji je za slanje fotona na velike udaljenosti ( Trenutačni rekord iznosi 143 kilometra – cca. "Tapes.ru"). Deterministička teleportacija ima lošiji odnos prema gubicima - općenito govoreći, što su gubici veći, to je lošija kvaliteta teleportacije, to jest, na prijemnom kraju žice rezultat nije sasvim izvorno kvantno stanje - ali radi svaki put, grubo rečeno, pritisnete gumb.

Isprepleteno stanje svjetlosti i atoma u biti je isprepleteno stanje njihovih spinova. Ako su spinovi, recimo, atoma i fotona isprepleteni, tada mjerenja njihovih parametara, kako kažu fizičari, koreliraju. To znači da, na primjer, ako je izmjereno da je spin fotona usmjeren prema gore, tada bi spin atoma bio prema dolje; ako je spin fotona usmjeren udesno, tada će spin atoma biti usmjeren ulijevo, i tako dalje. Trik je u tome što prije mjerenja niti foton niti atom nemaju određeni smjer vrtnje. Kako to da su unatoč tome povezani? Ovo je mjesto gdje biste trebali početi "dobiti vrtoglavicu od kvantne mehanike", kako je rekao Niels Bohr.

Eugene Polzik

I po čemu se njihova područja primjene razlikuju?

Probabilistički je, kao što sam rekao, prikladan za prijenos podataka na velike udaljenosti. Recimo, ako u budućnosti želimo izgraditi kvantni internet, tada će nam trebati teleportacija ove vrste. Što se tiče determinističkog, može biti koristan za teleportiranje nekih procesa.

Ovdje moramo odmah pojasniti: sada ne postoji tako jasna granica između ove dvije vrste teleportacije. Na primjer, u Ruskom kvantnom centru (i ne samo tamo) razvijaju se "hibridni" kvantni komunikacijski sustavi, gdje se djelomično koriste probabilistički pristupi, a djelomično deterministički pristupi.

U našem radu, teleportacija procesa bila je tako, znate, stroboskopska - još ne govorimo o kontinuiranoj teleportaciji.

Dakle, ovo je diskretan proces?

Da. Zapravo, državna teleportacija se prirodno može dogoditi samo jednom. Jedna od stvari koje kvantna mehanika zabranjuje je kloniranje stanja. Odnosno, ako ste nešto teleportirali, onda ste to uništili.

Recite nam što je vaša grupa uspjela učiniti.

Imali smo skup atoma cezija i teleportirali smo kolektivnu vrtnju sustava. Naš plin bio je pod utjecajem lasera i magnetskog polja, pa su spinovi atoma bili približno jednako usmjereni. Nespreman čitatelj može to zamisliti ovako - naš kolektiv je velika magnetska igla.

Strelica ima nesigurnost smjera (to znači da su spinovi orijentirani "približno" isto), istu Heisenbergovu. Nemoguće je točnije izmjeriti smjer te neizvjesnosti, ali je teleportiranje položaja sasvim moguće. Veličina ove nesigurnosti je jedan po kvadratnom korijenu broja atoma.

Ovdje je važno napraviti digresiju. Moj omiljeni sustav je plin atoma na sobnoj temperaturi. Problem s ovim sustavom je taj što se na sobnim temperaturama kvantna stanja brzo raspadaju. Kod nas pak ta spin stanja žive jako dugo. A to smo uspjeli postići zahvaljujući suradnji sa znanstvenicima iz Sankt Peterburga.

Razvili su premaze koji se znanstveno nazivaju alkenskim premazima. U biti, to je nešto vrlo slično parafinu. Ako takav premaz na unutarnju stranu staklene ćelije poprskate plinom, tada molekule plina lete (brzinom od 200 metara u sekundi) i sudaraju se sa stijenkama, ali se ništa ne događa njihovoj vrtnji. Mogu izdržati oko milijun ovakvih sudara. Ja imam ovaj vizualni prikaz ovog procesa: pokrivač je kao cijela šuma vinove loze, vrlo velika, a da bi se naličje pokvarilo, morate nekome dati leđa. A tamo je sve to tako veliko i povezano da se nema kome prenijeti, pa on uđe unutra, koprca se i odleti natrag, i ništa mu se ne dogodi. Počeli smo raditi s ovim premazima prije otprilike 10 godina. Sada su poboljšani i dokazano da se mogu koristiti iu kvantnom polju.

Dakle, vratimo se našim atomima cezija. Bile su na sobnoj temperaturi (i to je dobro jer alkenski premaz ne može podnijeti visoke temperature, a za dobivanje plina obično treba nešto ispariti, odnosno zagrijati).

Teleportirao si vrtnju pola metra. Je li tako kratka udaljenost temeljno ograničenje?

Naravno da ne. Kao što sam rekao, deterministička teleportacija ne tolerira gubitke, tako da su naši laserski impulsi prošli kroz otvoreni prostor - ako bismo ih vratili natrag u optičko vlakno, neizbježno bi došlo do neke vrste gubitka. Općenito govoreći, ako se tamo bavite futurizmom, onda je sasvim moguće istim snopom gađati satelit koji će proslijediti signal tamo gdje treba.

Rekli ste da imate planove za kontinuiranu teleportaciju?

Da. Samo ovdje kontinuitet treba shvatiti u više značenja. S jedne strane, imamo 10 12 atoma u našem radu, tako da je diskretnost smjera zajedničkog spina toliko mala da možemo opisati spin kontinuiranim varijablama. U tom smislu, naša teleportacija je bila kontinuirana.

S druge strane, ako se proces mijenja tijekom vremena, onda možemo govoriti o njegovom kontinuitetu tijekom vremena. Dakle, mogu učiniti sljedeće. Ovaj proces ima, recimo, neku vrstu vremenske konstante - recimo da se događa u milisekundama, pa sam ga uzeo i podijelio na mikrosekunde, i "bum" nakon prve mikrosekunde koju sam teleportirao; onda ga morate vratiti u prvobitno stanje.

Svaka takva teleportacija, naravno, uništava teleportirano stanje, ali vanjsko uzbuđenje koje taj proces uzrokuje ne utječe. Dakle, u biti, mi teleportiramo određeni integral. Možemo "proširiti" ovaj integral i naučiti nešto o vanjskim pobudama. Upravo je objavljen teorijski rad koji sve ovo predlaže. Physical Review Letters.

Zapravo, ova vrsta teleportacije naprijed-natrag može se koristiti za vrlo duboke stvari. Ovdje se nešto događa i nešto se ovdje događa, a uz pomoć teleportacijskog kanala mogu simulirati interakciju - kao da su ova dva spina, koja nikada nisu međusobno komunicirala, zapravo u interakciji. Odnosno takva kvantna simulacija.

A kvantna simulacija je ono oko čega svi sada skaču. Umjesto faktoriranja milijuna znamenki, možete jednostavno simulirati. Sjetite se istog D-vala.

Deterministička teleportacija bi se mogla koristiti u kvantnim računalima?

Možda, ali tada bi bilo potrebno teleportirati kubite. To će zahtijevati sve vrste algoritama za ispravljanje pogrešaka. A oni se tek počinju razvijati.

Kvantna teleportacija je jedan od najvažnijih protokola u kvantnoj informaciji. Na temelju fizičkog resursa isprepletenosti, služi kao glavni element raznih informacijskih zadataka i predstavlja važnu komponentu kvantnih tehnologija, igrajući ključnu ulogu u daljnjem razvoju kvantnog računarstva, umrežavanja i komunikacije.

Od znanstvene fantastike do znanstvenih otkrića

Prošlo je više od dva desetljeća od otkrića kvantne teleportacije, koja je možda jedna od najzanimljivijih i najuzbudljivijih posljedica “čudnosti” kvantne mehanike. Prije nego što su nastala ova velika otkrića, ideja je pripadala području znanstvene fantastike. Pojam teleportacija koji je prvi skovao 1931. godine Charles H. Fort, od tada se koristi za označavanje procesa kojim se tijela i predmeti prenose s jednog mjesta na drugo bez stvarnog prelaska udaljenosti između njih.

Godine 1993. objavljen je rad koji opisuje kvantni informacijski protokol nazvan "kvantna teleportacija", koji dijeli nekoliko gore navedenih značajki. U njemu se nepoznato stanje fizičkog sustava mjeri i naknadno reproducira ili "ponovno sastavlja" na udaljenoj lokaciji (fizički elementi izvornog sustava ostaju na mjestu prijenosa). Ovaj proces zahtijeva klasična sredstva komunikacije i isključuje superluminalnu komunikaciju. Zahtijeva resurs zapleta. Zapravo, teleportacija se može promatrati kao kvantni informacijski protokol koji najjasnije pokazuje prirodu isprepletenosti: bez njezine prisutnosti takvo stanje prijenosa ne bi bilo moguće unutar zakona koji opisuju kvantnu mehaniku.

Teleportacija igra aktivnu ulogu u razvoju informacijske znanosti. S jedne strane, to je protokol koji igra odlučujuću ulogu u razvoju formalne kvantne teorije informacija, as druge strane, to je temeljna komponenta mnogih tehnologija. Kvantni repetitor je ključni element komunikacije na daljinu. Teleportacija s kvantnim prekidačem, računalstvo temeljeno na mjerenju i kvantne mreže izvedeni su iz toga. Također se koristi kao jednostavan alat za proučavanje "ekstremne" fizike u vezi s vremenskim krivuljama i isparavanjem.

Danas je kvantna teleportacija potvrđena u laboratorijima diljem svijeta koristeći mnogo različitih supstrata i tehnologija, uključujući fotonske kubite, nuklearnu magnetsku rezonancu, optičke modove, grupe atoma, zarobljene atome i poluvodičke sustave. Izuzetni rezultati postignuti su na području teleportacijskih dometa, a predstoje i pokusi sa satelitima. Osim toga, počeli su napori da se povećaju na složenije sustave.

Teleportacija kubita

Kvantna teleportacija je prvi put opisana za dvorazinske sustave koji se nazivaju kubiti. Protokol razmatra dvije udaljene strane, nazvane Alice i Bob, koje dijele 2 kubita, A i B, u čisto isprepletenom stanju, koje se također naziva Bell par. Na ulazu, Alice je dan drugi qubit a, čije je stanje ρ nepoznato. Zatim izvodi zajedničko kvantno mjerenje koje se naziva detekcija zvona. Prebacuje a i A u jedno od četiri Bellova stanja. Kao rezultat toga, stanje Alicinog ulaznog qubita nestaje tijekom mjerenja, a Bobov qubit B se istovremeno projicira na P † k ρP k . U posljednjoj fazi protokola, Alice prenosi klasični rezultat svog mjerenja Bobu, koji primjenjuje Paulijev operator P k da vrati izvorni ρ.

Početno stanje Alicinog qubita smatra se nepoznatim, jer se inače protokol svodi na njegovo daljinsko mjerenje. Alternativno, on sam može biti dio većeg složenog sustava koji se dijeli s trećom stranom (u kojem slučaju uspješna teleportacija zahtijeva reprodukciju svih korelacija s tom trećom stranom).

Tipični eksperiment kvantne teleportacije uzima da je početno stanje čisto i da pripada ograničenoj abecedi, kao što je šest polova Blochove sfere. U prisutnosti dekoherencije, kvaliteta rekonstruiranog stanja može se kvantificirati preciznošću teleportacije F ∈ . Ovo je točnost između stanja Alice i Bob, u prosjeku svih rezultata otkrivanja Bella i izvorne abecede. Pri niskim vrijednostima točnosti, postoje metode koje omogućuju nesavršenu teleportaciju bez korištenja zapetljanih resursa. Na primjer, Alice može izravno mjeriti svoje početno stanje, šaljući rezultate Bobu da pripremi rezultirajuće stanje. Ova strategija pripreme mjerenja naziva se "klasična teleportacija". Ima maksimalnu točnost od F klase = 2/3 za proizvoljno ulazno stanje, što je ekvivalentno abecedi međusobno nepristranih stanja, kao što je šest polova Blochove sfere.

Dakle, jasan pokazatelj korištenja kvantnih resursa je vrijednost točnosti F> F klasa.

Ne samo qubit

Kao što je navedeno, teleportacija nije ograničena na kubite, može uključivati ​​višedimenzionalne sustave. Za svaku konačnu dimenziju d, idealna shema teleportacije može se formulirati korištenjem baze maksimalno zapetljanih vektora stanja, koji se mogu dobiti iz danog maksimalno zapetljanog stanja i baze (U k ) unitarnih operatora koji zadovoljavaju tr(U † j U k ) = dδ j,k . Takav se protokol može konstruirati za bilo koji konačnodimenzionalni Hilbertov prostor, tzv. sustavi diskretnih varijabli.

Osim toga, kvantna teleportacija se također može proširiti na sustave s beskonačno-dimenzionalnim Hilbertovim prostorom, koji se nazivaju kontinuirano-varijabilni sustavi. U pravilu se ostvaruju optičkim bozonskim modovima, čije se električno polje može opisati kvadraturnim operatorima.

Brzina i načelo nesigurnosti

Kolika je brzina kvantne teleportacije? Informacije se prenose brzinom sličnom klasičnoj brzini prijenosa iste količine - možda s teoretski, mogu se koristiti na načine na koje klasični ne mogu - na primjer, u kvantnom računalstvu, gdje su podaci dostupni samo primatelju.

Krši li kvantna teleportacija U prošlosti ideju o teleportaciji znanstvenici nisu shvaćali ozbiljno jer se smatralo da krši načelo koje zabranjuje svakom procesu mjerenja ili skeniranja izvlačenje svih informacija o atomu ili drugom objektu. Prema načelu nesigurnosti, što je objekt točnije skeniran, to više na njega utječe proces skeniranja, sve dok se ne postigne točka u kojoj je izvorno stanje objekta poremećeno do te mjere da se više ne može dobiti dovoljno informacija stvoriti točnu kopiju. Ovo zvuči uvjerljivo: ako osoba ne može izvući informacije iz predmeta kako bi stvorila idealnu kopiju, onda se potonja ne može napraviti.

Kvantna teleportacija za lutke

Ali šest znanstvenika (Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jossa, Asher Perez i William Wouters) pronašli su način da zaobiđu ovu logiku, koristeći poznatu i paradoksalnu značajku kvantne mehanike poznatu kao Einstein-Podolsky-Rosen efekt. Pronašli su način da skeniraju dio informacija teleportiranog objekta A, a preostali neprovjereni dio, putem spomenutog efekta, prenesu na drugi objekt C, koji nikada nije bio u kontaktu s A.

Naknadno, primjenom podražaja na C koji ovisi o skeniranoj informaciji, moguće je uvesti C u stanje A prije skeniranja. Sam A više nije u tom stanju, budući da je potpuno promijenjen procesom skeniranja, pa je postignuta teleportacija, a ne replikacija.

Borba za domet

• Prvu kvantnu teleportaciju izveli su 1997. godine gotovo istovremeno znanstvenici sa Sveučilišta u Innsbrucku i Sveučilišta u Rimu. Tijekom eksperimenta originalni polarizirani foton i jedan od para isprepletenih fotona mijenjali su se na način da je drugi foton dobio polarizaciju originalnog. U ovom slučaju oba su fotona bila udaljena jedan od drugoga.
• 2012. dogodila se još jedna kvantna teleportacija (Kina, Sveučilište znanosti i tehnologije) kroz visokoplaninsko jezero na udaljenosti od 97 km. Tim znanstvenika iz Šangaja, predvođen Huang Yinom, uspio je razviti mehanizam za navođenje koji je omogućio precizno usmjeravanje zrake.
• U rujnu iste godine izvršena je rekordna kvantna teleportacija od 143 km. Austrijski znanstvenici s Austrijske akademije znanosti i Sveučilišta u Beču, predvođeni Antonom Zeilingerom, uspješno su prenijeli kvantna stanja između dva kanarska otoka La Palme i Tenerifa. Eksperiment je koristio dvije optičke komunikacijske linije slobodnog prostora, kvantnu i klasičnu, frekvencijski nekorelirani polarizacijski isprepleteni par izvornih fotona, detektore jednog fotona s ultra niskim šumom i spregnutu sinkronizaciju sata.
• Godine 2015. istraživači s američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju prvi su put putem optičkih vlakana prenijeli informacije na udaljenosti većoj od 100 km. To je postalo moguće zahvaljujući jednofotonskim detektorima stvorenim u institutu pomoću supravodljivih nanožica izrađenih od molibden silicida.

Jasno je da idealan kvantni sustav ili tehnologija još ne postoji i da velika otkrića budućnosti tek dolaze. Međutim, može se pokušati identificirati moguće kandidate za specifične primjene teleportacije. Njihova prikladna hibridizacija, uz kompatibilan okvir i metode, može pružiti budućnost koja najviše obećava za kvantnu teleportaciju i njezine primjene.

Male udaljenosti

Teleportacija na kratke udaljenosti (do 1 m) kao podsustav kvantnog računalstva obećava u poluvodičkim uređajima, od kojih je najbolji QED sklop. Konkretno, supravodljivi transmon kubiti mogu jamčiti determinističku i visokopreciznu teleportaciju na čipu. Također omogućuju izravno hranjenje u stvarnom vremenu, što se čini problematičnim na fotoničkim čipovima. Osim toga, pružaju skalabilniju arhitekturu i bolju integraciju postojećih tehnologija u usporedbi s prethodnim pristupima kao što su zarobljeni ioni. Trenutno se čini da je jedini nedostatak ovih sustava njihovo ograničeno vrijeme koherencije (<100 мкс). Эта проблема может быть решена с помощью интегрирования схемы QED с полупроводниковыми спин-ансамблевыми ячейками памяти (с азотно-замещенными вакансиями или легированными редкоземельными элементами кристаллами), которые могут обеспечить длительное время когерентности для квантового хранения данных. В настоящее время данная реализация является предметом приложения больших усилий научного сообщества.

Gradska komunikacija

Teleportacijske komunikacije na razini grada (nekoliko kilometara) mogle bi se razviti pomoću optičkih načina. Uz dovoljno niske gubitke, ovi sustavi pružaju velike brzine i propusnost. Mogu se proširiti s implementacija stolnih računala na sustave srednje klase koji rade putem zraka ili vlakana, uz moguću integraciju s ansambl kvantnom memorijom. Duže udaljenosti, ali manje brzine mogu se postići korištenjem hibridnog pristupa ili razvojem dobrih repetitora na temelju ne-Gaussovih procesa.

Komunikacija na daljinu

Kvantna teleportacija na velike udaljenosti (preko 100 km) je aktivno područje, ali još uvijek ima otvoren problem. Polarizacijski kubiti su najbolji mediji za sporu teleportaciju preko dugih optičkih veza i preko zraka, ali protokol je trenutačno probabilistički zbog nepotpune Bellove detekcije.

Iako su probabilistička teleportacija i isprepletenost prihvatljivi za probleme kao što su destilacija isprepletenosti i kvantna kriptografija, to se jasno razlikuje od komunikacije, u kojoj se ulazne informacije moraju u potpunosti sačuvati.

Ako prihvatimo ovu probabilističku prirodu, tada su satelitske implementacije unutar dosega moderne tehnologije. Osim integracije metoda praćenja, glavni problem su veliki gubici uzrokovani širenjem snopa. Ovo se može prevladati u konfiguraciji u kojoj se isprepletenost distribuira od satelita do zemaljskih teleskopa s velikim otvorom blende. Uz pretpostavku otvora satelita od 20 cm na visini od 600 km i otvora teleskopa od 1 metra na tlu, možemo očekivati ​​oko 75 dB gubitka veze prema dolje, što je manje od 80 dB gubitka na razini tla. Implementacije zemlja-satelit ili satelit-satelit su složenije.

Kvantna memorija

Buduća uporaba teleportacije kao dijela skalabilne mreže izravno ovisi o njezinoj integraciji s kvantnom memorijom. Potonji mora imati izvrsno sučelje zračenje-materija, točnost pisanja i čitanja, vrijeme pohrane i propusnost, veliku brzinu i kapacitet pohrane u smislu učinkovitosti pretvorbe. Prije svega, ovo će omogućiti korištenje repetitora za proširenje komunikacije daleko izvan izravnog prijenosa korištenjem kodova za ispravljanje pogrešaka. Razvoj dobre kvantne memorije omogućio bi ne samo distribuciju isprepletenosti preko mreža i teleportacijskih komunikacija, već i koherentnu obradu pohranjenih informacija. U konačnici, ovo bi moglo pretvoriti mrežu u globalno distribuiranu mrežu ili temelj za budući kvantni internet.

Obećavajući razvoj događaja

Atomski ansambli tradicionalno se smatraju privlačnima zbog njihove učinkovite pretvorbe svjetlosti u materiju i njihovog vijeka trajanja u milisekundi, koji može doseći 100 ms, što je potrebno za prijenos svjetlosti na globalnoj razini. Međutim, danas se očekuje razvoj koji više obećava u sustavima temeljenim na poluvodičima, gdje je izvrsna kvantna memorija ansambla spina izravno integrirana sa skalabilnom QED arhitekturom kruga. Ova memorija ne samo da može produžiti vrijeme koherencije QED kruga, već također može pružiti optičko-mikrovalno sučelje za međupretvorbu optičko-telekomunikacijskih i mikrovalnih fotona čipa.

Stoga će se buduća otkrića znanstvenika u polju kvantnog interneta vjerojatno temeljiti na optičkoj komunikaciji na velike udaljenosti u kombinaciji s poluvodičkim čvorovima za obradu kvantnih informacija.

Mogućnost teleportacije jedno je od paranormalnih i paraznanstvenih pitanja o kojima se najviše raspravlja. Štoviše, temelji se i na fantastičnim mističnim idejama i na određenim znanstvenim dostignućima. Međutim, različita izvješća koja teleportacija koji će se uskoro postići u praksi, predstavljaju samo nepoštenu upotrebu informacija o kvantnoj teleportaciji. Kvantna teleportacija je stvarni fizički fenomen, ali je samo neizravno povezana s teleportacijom iz teorija mistika i djela znanstvene fantastike.

Ne mogu bez Einsteina

Praksa teleportacije uključuje prijenos materije s jedne točke u svemiru na drugu bez kontinuirane putanje kretanja. To jest, nemoguće je pratiti neprekinuti slijed tvari koja se nalazi u određenoj točki u svakom sljedećem trenutku u vremenu. Tako materija nakratko nestane, a onda se pojavi na sasvim drugom mjestu. Ništa slično se ne događa u slučaju kvantne teleportacije, naravno. Povezan je s posebnim svojstvima kvanta i prvi ga je na teorijskoj razini 1930-ih godina formulirao slavni Albert Einstein.

Sugerirao je da bi između dviju čestica mogao postojati komunikacijski kanal takozvanih zapletenih kvanta, preko kojih je moguć prijenos svojstava s jedne elementarne čestice na drugu. Fizički, elementarne čestice se međusobno ne dodiruju, odnosno ne dodiruju. Svojstvo jedne čestice se šalje kroz kvant, a na mjestu polaska to svojstvo se uništava i nestaje, čestica koja šalje je lišena ovog svojstva. Zauzvrat, ovo se svojstvo pojavljuje na drugoj čestici, koja se "transportira" kroz zapletene kvante. Ni energija ni sama materija ne “skaču” između čestica, a brzina prijenosa svojstava ne prelazi brzinu svjetlosti u vakuumu. Time se ne krše nikakvi fizikalni zakoni i ne može se govoriti o pravoj teleportaciji. Karakteristično je da Einstein nije vjerovao u praktičnu izvedivost čak ni ovog svog teorijskog modela, smatrajući kvantnu teleportaciju posljedicom nekonzistentnosti same kvantne teorije.

Primjena u praksi

Kvantna teleportacija, poznata i kao EPR efekt (nazvana po imenima koautora teoretskog rada na ovu temu - Einstein, Podolsky, Rosen), gotovo se pola stoljeća smatrala isključivo spekulativnom. No, 1980. postojanje tog učinka potvrđeno je eksperimentalno. Provedena je takozvana teleportacija fotona, odnosno prijenos svojstava s jednog fotona na drugi. U početku znanstvenici nisu mogli pronaći objašnjenje za ovaj fenomen, koji je bio u suprotnosti sa zakonima fizike. No, tada su se sjetili principa kvantne teleportacije koji su formulirali Einstein i njegovi kolege – i sve je sjelo na svoje mjesto.

Štoviše, osobitost kvantne teleportacije bila je mogućnost prijenosa svojstava između elementarnih čestica na značajnim udaljenostima. Ali u isto vrijeme pojavile su se razne poteškoće. Tako je vrlo brzo postalo jasno da kvantna teleportacija ima ograničenja karakteristična za bilo koji komunikacijski kanal - brzina prijenosa informacija ne može premašiti maksimalnu brzinu dostupnu za ovaj kanal. U najboljem slučaju, približit će se brzini svjetlosti u vakuumu. Osim toga, kvantna teleportacija nije imala ništa zajedničko s “klasičnom” teleportacijom, poznatom iz znanstveno-fantastičnih romana. Takav prijenos energije i materije s jedne točke na drugu ipak nije moguć. Tako da će entuzijasti željni postizanja ljudske teleportacije morati pričekati. Vrlo je moguće da ćemo morati čekati beskrajno dugo: čak i ako se otkrije metoda za teleportiranje materije, teško je zamisliti mogućnost teleportiranja inteligentnih bića i ponovnog stvaranja punopravnog mehanizma svijesti na novom mjestu.

Eksperimenti pokreću znanost

Kvantna teleportacija dobila je široku medijsku pozornost u vezi s najnovijim dostignućima japanskih znanstvenika u tom smjeru. Tijekom raznih eksperimenata postigli su impresivne rezultate. U prvom slučaju, eksperiment se pokazao vrlo impresivnim: istraživači su uspjeli "teleportirati" kvant svjetlosti. U biti, radi se o teleportaciji fotona - svjetlost se “rastavljala” na pojedinačne fotonske čestice koje su komunikacijskim kanalom zapletenih kvanta prebačene na drugu točku u prostoru, gdje su ponovno skupljene u svjetlosni snop. U drugom slučaju, prva kvantna teleportacija nije postignuta između dva, već između tri fotona. Sa stajališta praktičnih znanstvenih tehnologija, ovo je pravi proboj koji otvara stvarne izglede za stvaranje kvantnih računala. Ova će računala biti za red veličine produktivnija u pogledu brzine obrade podataka, kao iu ukupnom volumenu.

No, japanski eksperimenti s kvantnom teleportacijom nipošto nisu jedini, rad u tom smjeru traje već nekoliko desetljeća, ali je posebno aktivan posljednjih godina. Tako su 2004. godine provedeni uspješni eksperimenti kvantne teleportacije ne između fotona, već između atoma - u prvom slučaju ioni atoma kalcija izmijenili su svojstva, u drugom - ioni atoma berilija. Godine 2006. izvršena je kvantna teleportacija između dva objekta različite prirode, između atoma cezija, s jedne strane, i kvanta laserskog zračenja, s druge strane. Od 2010. do 2012. znanstvenici su stalno postavljali impresivne rekorde udaljenosti za kvantnu teleportaciju: prvo u Kini, svojstva između fotona prenijeta su preko 16 kilometara, zatim je u Srednjem Kraljevstvu to postignuće povećano na 97 kilometara, a zatim su u Austriji istraživači postigli teleportaciju 143 kilometra.

Alexander Babitsky

Kvantna teleportacija- ovo je teleportacija ne fizičkih objekata, ne energije, već stanja. Ali u ovom slučaju stanja se prenose na način koji je nemoguće učiniti u klasičnom prikazu. Prijenos informacija o objektu u pravilu zahtijeva velik broj sveobuhvatnih mjerenja. Ali oni uništavaju kvantno stanje i nemamo načina da ga ponovno izmjerimo. Kvantna teleportacija se koristi za prijenos i prijenos određenog stanja, imajući minimalne informacije o njemu, bez „gledanja“ u njega, bez mjerenja, a time i bez ometanja.

Kubiti

Ovo je primjer dobivanja informacija na klasičan način. Nakon što je primio veliku količinu podataka, primatelj može ponovno stvoriti ovo stanje. Međutim, kvantna mehanika omogućuje da se ne pripremaju mnoga stanja. Zamislimo da imamo samo jednu, jedinstvenu, i nema druge. Tada to više neće biti moguće prenijeti u klasiku. Fizički, izravno, to također nije uvijek moguće. I u kvantnoj mehanici možemo koristiti efekt isprepletenosti.

Koristimo i fenomen kvantne nelokalnosti, odnosno fenomen koji je nemoguć u svijetu na koji smo navikli, tako da to stanje ovdje nestane, a pojavi se tamo. Štoviše, najzanimljivije je to što u odnosu na iste kvantne objekte postoji teorem o nekloniranju. Odnosno, nemoguće je stvoriti drugu identičnu državu. Jedan mora biti uništen da bi se drugi pojavio.

Kvantna isprepletenost

Kvantni slučaj je drugačiji po tome što stanje koje mi je došlo prije mjerenja nije ni plavo ni zeleno - to je superpozicija plave i zelene. Nakon što razdvojite cipele, ishod je već unaprijed određen. Dok se torbe nose, još se nisu otvorile, ali već se vidi što će biti. Sve dok se ne izmjere kvantni objekti, još ništa nije odlučeno.

Ako ne uzmemo boju, već polarizaciju, odnosno smjer oscilacija električnog polja, možemo razlikovati dvije opcije: vertikalnu i horizontalnu polarizaciju i +45° - -45°. Ako zbrojite horizontalu i vertikalu u jednakim omjerima, dobit ćete +45°, ako oduzmete jednu od druge, onda -45°. Sada zamislimo da je na potpuno isti način jedan foton došao do mene, a drugi do tebe. Pogledao sam: okomito je. Dakle, vaš je horizontalan. Sada zamislimo da sam ja vidio vertikalnu, a vi ste je gledali dijagonalno, odnosno, ako ste je gledali - to je +45° ili -45°, vidjet ćete s jednakom vjerojatnošću jedan ili drugi ishod. Ali ako sam pogledao dijagonalu i vidio +45°, onda znam sigurno da imate -45°.

Paradoks Einstein-Podolsky-Rosen

Ali zapravo, to ne krši teoriju relativnosti, jer još uvijek ne možemo prenijeti informacije pomoću ovog učinka. Mjeri se okomiti ili vodoravni foton. No ne zna se unaprijed što će to točno biti. Unatoč činjenici da je nemoguće prenijeti informacije brže od brzine svjetlosti, zapetljanost omogućuje implementaciju protokola kvantne teleportacije. Što je? Rađa se isprepleteni par fotona. Jedan ide na odašiljač, drugi na prijemnik. Odašiljač vrši zajedničko mjerenje ciljnog fotona koji mora odašiljati. I s ¼ vjerojatnosti će dobiti rezultat OK. On to može priopćiti prijemniku, a prijemnik u tom trenutku zna da je on u potpuno istom stanju u kakvom je bio i odašiljač. I s vjerojatnošću od ¾ dobiva drugačiji rezultat - ne samo neuspješno mjerenje, već jednostavno drugačiji rezultat. Ali u svakom slučaju, ovo je korisna informacija koja se može prenijeti primatelju. U tri od četiri slučaja, primatelj mora izvršiti dodatnu rotaciju svog qubita kako bi dobio odaslano stanje. Odnosno, prenose se 2 bita informacija, a uz njihovu pomoć možete teleportirati složeno stanje koje se njima ne može kodirati.

Kvantna kriptografija

Ova tehnologija ima jedan veliki nedostatak. Činjenica je da je, kao što smo ranije rekli, nemoguće stvoriti kopiju fotona. Normalan signal u optičkom vlaknu može se pojačati. Za kvantni slučaj, nemoguće je pojačati signal, jer će pojačanje biti ekvivalentno nekoj vrsti presretača. U stvarnom životu, na stvarnim linijama, prijenos je ograničen na udaljenost od otprilike 100 kilometara. Ruski kvantni centar je 2016. proveo demonstraciju na linijama Gazprombanke, gdje su prikazali kvantnu kriptografiju na 30 kilometara vlakana u urbanom okruženju.

U laboratoriju možemo demonstrirati kvantnu teleportaciju na udaljenosti do 327 kilometara. Ali, nažalost, velike udaljenosti su nepraktične jer se fotoni gube u vlaknu, a brzina je vrlo mala. Što uraditi? Možete instalirati međuposlužitelj koji će primati informacije, dešifrirati ih, zatim ponovno šifrirati i slati dalje. To rade, primjerice, Kinezi kada grade svoju kvantnu kriptografsku mrežu. Amerikanci koriste isti pristup.

Kvantna teleportacija u ovom je slučaju nova metoda koja vam omogućuje rješavanje problema kvantne kriptografije i povećanje udaljenosti na tisuće kilometara. I u ovom slučaju, isti foton koji se odašilje teleportira se mnogo puta. Mnoge skupine diljem svijeta rade na ovom zadatku.

Kvantna memorija

U kvantnoj kriptografiji to je svojevrsna usputna stanica. Takve stanice nazivaju se kvantnim repetitorima i sada su jedno od glavnih područja za istraživanje i eksperimentiranje. Ovo je popularna tema ranih 2010-ih, repetitori su bili vrlo daleka perspektiva, ali sada se zadatak čini izvedivim. Uglavnom zato što se tehnologija neprestano razvija, uključujući i telekomunikacijske standarde.

Tijek pokusa u laboratoriju

Početno stanje priprema se laserom. Za pripremu isprepletenih stanja koristi se nelinearni kristal koji se pumpa pulsnim ili kontinuiranim laserom. Zbog nelinearnih učinaka rađaju se parovi fotona. Zamislimo da imamo foton energije dva - ℏ(2ω), on se pretvara u dva fotona energije jedan - ℏω+ ℏω. Ti se fotoni rađaju samo zajedno; prvo se jedan foton ne može odvojiti, zatim drugi. I oni su povezani (isprepleteni) i pokazuju neklasične korelacije.

Povijest i suvremena istraživanja

Kvantnu teleportaciju teoretski je 1993. predložila grupa američkih znanstvenika predvođenih Charlesom Bennettom - tada se pojavio termin. Prvu eksperimentalnu implementaciju izvele su 1997. godine dvije skupine fizičara u Innsbrucku i Rimu. Postupno su znanstvenici uspjeli prenositi stanja na sve veće udaljenosti - od jednog metra do stotina kilometara ili više.

Sada ljudi pokušavaju napraviti eksperimente koji bi mogli postati osnova za kvantne repetitore u budućnosti. Očekuje se da ćemo za 5-10 godina vidjeti prave kvantne repetitore. Smjer prijenosa stanja između objekata različite prirode također se razvija, uključujući u svibnju 2016. hibridna kvantna teleportacija provedena je u Quantum Centru, u laboratoriju Aleksandra Lvovskog. Teorija također ne stoji mirno. U istom Kvantnom centru, pod vodstvom Alekseja Fedorova, razvija se protokol teleportacije ne u jednom smjeru, već dvosmjerno, tako da se uz pomoć jednog para stanja mogu istovremeno teleportirati jedno prema drugom.

Naš rad na kvantnoj kriptografiji stvara kvantnu distribuciju i ključni uređaj, što znači da generiramo ključ koji se ne može presresti. Zatim korisnik može šifrirati informacije ovim ključem, koristeći takozvani jednokratni blok. Nove prednosti kvantnih tehnologija trebale bi se otkriti u sljedećem desetljeću. Razvija se stvaranje kvantnih senzora. Njihova suština je da zahvaljujući kvantnim efektima možemo mnogo točnije mjeriti npr. magnetsko polje i temperaturu. Odnosno, uzimaju se takozvani NV centri u dijamantima – to su sitni dijamanti, imaju dušične defekte koji se ponašaju kao kvantni objekti. Vrlo su slični zamrznutom pojedinačnom atomu. Gledajući ovaj nedostatak, mogu se uočiti promjene temperature, čak i unutar jedne ćelije. To jest, ne mjerite samo temperaturu ispod ruke, već i temperaturu organele unutar stanice.

Kvantna mehanika uvelike je promijenila ljudski život. Poluvodiči, atomska bomba, nuklearna energija - sve su to objekti koji rade zahvaljujući njoj. Cijeli svijet sada se bori da počne kontrolirati kvantna svojstva pojedinačnih čestica, uključujući i one zapletene. Na primjer, teleportacija uključuje tri čestice: jedan par i ciljnu. Ali svakom od njih upravlja se zasebno. Individualno upravljanje elementarnim česticama otvara nove horizonte za tehnologiju, uključujući i kvantno računalo.

Jurij Kuročkin, kandidat fizikalnih i matematičkih znanosti, voditelj Laboratorija za kvantne komunikacije Ruskog kvantnog centra.

Oznake:

Na stranicama časopisa Nature 9. kolovoza objavljeni su kineski znanstvenici koji su uspjeli postići kvantnu teleportaciju na udaljenost od oko 97 km. Ovo je novi rekord, iako na arXiv.org od 17. svibnja postoji jedan koji još nigdje nije objavljen od druge grupe, a koji izvještava o uspješnim eksperimentima teleportacije na udaljenosti od oko 143 km.

Unatoč činjenici da se fenomen kvantne teleportacije proučava već duže vrijeme, ljudi koji su daleko od znanosti ne razumiju što je to. Pokušat ću razbiti neke mitove vezane uz ovaj dio znanosti.

Mit 1: Kvantna teleportacija teoretski omogućuje teleportaciju bilo kojeg objekta.

Zapravo, tijekom kvantne teleportacije ne prenose se fizički objekti, već neke informacije snimljene korištenjem kvantnih stanja objekata. Obično je ovo stanje polarizacija fotona. Kao što je poznato, foton može imati dvije različite polarizacije: na primjer, horizontalnu i vertikalnu. Mogu se koristiti kao nositelji bitne informacije: recimo, 0 će odgovarati horizontalnoj polarizaciji, a 1 vertikalnoj. Tada će prijenos stanja jednog fotona na drugi osigurati prijenos informacija.

U slučaju kvantne teleportacije, prijenos podataka odvija se na sljedeći način. Prvo se stvara par takozvanih povezanih fotona. To znači da se njihova stanja ispostavljaju povezanima u smislu: ako jedno ima horizontalnu polarizaciju kada se mjeri, tada će drugo uvijek imati vertikalnu polarizaciju i obrnuto, a obje se opcije pojavljuju s istom vjerojatnošću. Zatim se ti fotoni odnose: jedan ostaje na izvoru poruke, a drugi odnosi primatelj.

Kada izvor želi prenijeti svoju poruku, spaja svoj foton s drugim fotonom čije je stanje (tj. polarizacija) točno poznato, a zatim mjeri polarizaciju oba svoja fotona. U tom se trenutku stanje fotona koji se nalazi na prijemniku mijenja na dosljedan način. Mjerenjem svoje polarizacije i učenjem putem drugih komunikacijskih kanala rezultata mjerenja izvora fotona, prijamnik može točno odrediti koji je bit informacije poslan.

Mit 2: Kvantna teleportacija može prenijeti informacije brže od brzine svjetlosti.

Doista, prema modernim konceptima, prijenos stanja između povezanih fotona događa se trenutačno, stoga se može steći osjećaj da se informacija prenosi trenutno. To, međutim, nije slučaj, jer iako je stanje odaslano, ono se može pročitati dešifriranjem poruke tek nakon odašiljanja dodatne informacije o tome koje su polarizacije dvaju fotona koji se nalaze u izvoru. Ove dodatne informacije prenose se klasičnim komunikacijskim kanalima i njihova brzina prijenosa ne može premašiti brzinu svjetlosti.

Mit 3: Ispada da je kvantna teleportacija potpuno nezanimljiva.

Naravno, u praksi se pokazalo da proces kvantne teleportacije možda i nije tako uzbudljiv kao što bi njegovo ime moglo sugerirati, ali može imati važne praktične primjene. Prije svega, ovo je siguran prijenos podataka. Uvijek je moguće presresti poruku poslanu klasičnim komunikacijskim kanalima, ali je može koristiti samo onaj tko ima drugi povezani foton. Svi ostali jednostavno neće moći pročitati poruku. Nažalost, stvarna upotreba ovog efekta je još uvijek daleko; u tijeku su samo znanstveni eksperimenti koji zahtijevaju prilično složenu opremu.

Ako vas zanima ova tema, možda će vas zanimati i čitanje o čemu