امکان انتقال از راه دور یکی از داغ ترین موضوعات ماوراء الطبیعه و فراعلمی است. علاوه بر این، هم بر ایده‌های عرفانی خارق‌العاده و هم بر دستاوردهای علمی خاصی استوار است. با این حال، گزارش های مختلف که دوربری قرار است در عمل به دست آید، تنها استفاده ناعادلانه از اطلاعات در مورد دوربری کوانتومی است. تله پورت کوانتومی یک پدیده فیزیکی واقعی است، اما فقط به طور غیرمستقیم با تله پورت از نظریات عرفا و آثار علمی تخیلی مرتبط است.

بدون انیشتین نمی‌توانست

عمل دوربری شامل انتقال ماده از یک نقطه در فضا به نقطه دیگر بدون مسیر حرکت مداوم است. به این معنا که نمی‌توان دنباله‌ای بدون وقفه یک ماده را در نقطه‌ای معین در هر لحظه بعدی از زمان ردیابی کرد. بنابراین، ماده برای مدتی ناپدید می شود و سپس در مکانی کاملاً متفاوت ظاهر می شود. البته در مورد تله پورت کوانتومی اتفاق مشابهی نمی افتد. با خواص ویژه کوانتوم مرتبط است و اولین بار در سطح نظری در دهه 1930 توسط آلبرت انیشتین معروف فرموله شد.

او پیشنهاد کرد که بین دو ذره می‌تواند یک کانال ارتباطی به اصطلاح کوانتای درهم‌تنیده وجود داشته باشد که از طریق آن انتقال خواص از یک ذره بنیادی به ذره دیگر امکان‌پذیر است. از نظر فیزیکی، ذرات بنیادی با یکدیگر تماس ندارند، یعنی با هم تماس ندارند. خاصیت یک ذره از طریق یک کوانتوم ارسال می شود و در نقطه خروج این خاصیت از بین می رود و از بین می رود، ذره ارسال کننده از این خاصیت محروم می شود. به نوبه خود، این ویژگی روی ذره دیگری ظاهر می شود و از طریق کوانتوم های درهم تنیده "انتقال" می یابد. نه انرژی و نه خود ماده بین ذرات «پرش» ندارند و سرعت انتقال خواص از سرعت نور در خلاء تجاوز نمی کند. بنابراین، هیچ قانون فیزیکی نقض نمی شود و نمی توانیم در مورد تله پورت واقعی صحبت کنیم. مشخص است که انیشتین حتی به امکان عملی بودن این مدل نظری خود اعتقاد نداشت و تله‌پورت کوانتومی را نتیجه ناسازگاری خود نظریه کوانتومی می‌دانست.

پیاده سازی در عمل

تله پورت کوانتومی، که به عنوان اثر EPR نیز شناخته می شود (به نام نویسندگان همکار کارهای نظری در مورد این موضوع - انیشتین، پودولسکی، روزن نامگذاری شده است)، تقریباً برای نیم قرن صرفاً حدس و گمان تلقی می شد. اما در سال 1980 وجود این اثر به صورت تجربی تایید شد. به اصطلاح تله پورت فوتون ها انجام شد، یعنی انتقال خواص از یک فوتون به فوتون دیگر. در ابتدا دانشمندان نتوانستند توضیحی برای این پدیده بیابند که با قوانین فیزیک در تضاد بود. با این حال، سپس آنها اصل تله پورت کوانتومی را که توسط انیشتین و همکارانش فرموله شده بود به یاد آوردند - و همه چیز سر جای خود قرار گرفت.

علاوه بر این، ویژگی تله‌پورت کوانتومی امکان انتقال خواص بین ذرات بنیادی در فواصل قابل توجه بود. اما در همان زمان، دشواری های مختلفی به وجود آمد. بنابراین، به سرعت مشخص شد که تله‌پورت کوانتومی دارای محدودیت‌هایی است که مشخصه هر کانال ارتباطی است - سرعت انتقال اطلاعات نمی‌تواند از حداکثر سرعت موجود برای این کانال خاص تجاوز کند. در بهترین حالت، در خلاء به سرعت نور نزدیک می شود. به علاوه، تله پورت کوانتومی هیچ شباهتی با تله‌پورت «کلاسیک» که از رمان‌های علمی تخیلی آشناست، نداشت. چنین انتقال انرژی و ماده از یک نقطه به نقطه دیگر هنوز امکان پذیر نیست. بنابراین علاقه مندانی که مشتاق به انتقال از راه دور انسانی هستند باید منتظر بمانند. به خوبی ممکن است ما مجبور باشیم تا بی نهایت منتظر بمانیم: حتی اگر روشی برای انتقال از راه دور ماده کشف شود، تصور امکان انتقال موجودات هوشمند و بازآفرینی یک مکانیسم کامل آگاهی در مکانی جدید دشوار است.

آزمایش ها علم را هدایت می کنند

تله پورت کوانتومی در ارتباط با آخرین دستاوردهای دانشمندان ژاپنی در این راستا، بازتاب گسترده ای در مطبوعات دریافت کرده است. در طول آزمایش های مختلف آنها به نتایج چشمگیری دست یافتند. در مورد اول، آزمایش بسیار چشمگیر بود: محققان توانستند یک کوانتومی نور را از راه دور منتقل کنند. در اصل، این انتقال یک فوتون از راه دور است - نور به ذرات فوتون منفرد "تجزیه" شد و با استفاده از یک کانال ارتباطی کوانتومای درهم تنیده، آنها را به نقطه دیگری در فضا منتقل کردند، جایی که دوباره در یک پرتو نور جمع شدند. در مورد دوم، اولین تله‌پورت کوانتومی نه بین دو، بلکه بین سه فوتون به دست آمد. از نقطه نظر فناوری های علمی عملی، این یک پیشرفت واقعی است که چشم اندازهای واقعی را برای ایجاد رایانه های کوانتومی باز می کند. این رایانه‌ها از نظر سرعت پردازش داده‌ها و همچنین در حجم کل، کارایی بیشتری خواهند داشت.

اما آزمایش‌های ژاپنی با تله‌پورت کوانتومی به هیچ وجه تنها آزمایش‌ها نیستند؛ کار در این راستا چندین دهه است که ادامه دارد، اما به‌ویژه در سال‌های اخیر فعال بوده است. بنابراین، در سال 2004، آزمایش های موفقیت آمیز در انتقال کوانتومی نه بین فوتون ها، بلکه بین اتم ها انجام شد - در مورد اول، یون های یک اتم کلسیم ویژگی های خود را مبادله کردند، در مورد دوم - یون های یک اتم بریلیم. در سال 2006، تله‌پورت کوانتومی بین دو جسم با طبیعت متفاوت، بین اتم‌های سزیم، از یک سو، و کوانتوم‌های تابش لیزر، از سوی دیگر، انجام شد. از سال 2010 تا 2012، دانشمندان به طور مداوم رکوردهای مسافت قابل توجهی را برای تله‌پورت کوانتومی به ثبت رساندند: ابتدا در چین، خواص بین فوتون‌ها بیش از 16 کیلومتر منتقل شد، سپس در پادشاهی میانه این دستاورد به 97 کیلومتر افزایش یافت و سپس در اتریش، محققان به انتقال از راه دور رسیدند. 143 کیلومتر.

الکساندر بابیتسکی

گروهی از دانشمندان آکادمی علوم چین آزمایشی ماهواره ای بر روی انتقال حالت های کوانتومی بین جفت فوتون های درهم تنیده (به اصطلاح تله پورت کوانتومی) در فاصله بی سابقه بیش از 1200 کیلومتر انجام دادند.

این پدیده (یا درهم تنیدگی) زمانی اتفاق می‌افتد که حالت‌های دو یا چند ذره به یکدیگر وابسته (همبسته) باشند، که می‌توان آنها را به فواصل خودسرانه بزرگ از هم جدا کرد، اما در عین حال آنها به "احساس" یکدیگر ادامه می‌دهند. اندازه گیری پارامتر یک ذره منجر به تخریب آنی حالت درهم تنیده ذره دیگر می شود، که تصور آن بدون درک اصول مکانیک کوانتومی دشوار است، به ویژه از آنجایی که ذرات (این بود به طور خاص نشان داده شده استدر آزمایشات مربوط به نقض به اصطلاح نابرابری های بل) هیچ پارامتر پنهانی ندارند که در آن اطلاعات مربوط به وضعیت "همراه" ذخیره شود، و در عین حال، تغییر آنی حالت منجر به نقض نمی شود. اصل علیت است و اجازه نمی دهد اطلاعات مفید از این طریق منتقل شود.

برای انتقال اطلاعات واقعی، علاوه بر این لازم است ذرات با سرعتی بیش از سرعت نور حرکت کنند. ذرات درهم تنیده می توانند مثلاً فوتون هایی باشند که یک مولد مشترک دارند و پارامتر وابسته مثلاً اسپین آنهاست.

نه تنها دانشمندان درگیر در فیزیک بنیادی، بلکه مهندسانی که ارتباطات ایمن را طراحی می کنند نیز به انتقال حالت ذرات درهم تنیده در فواصل طولانی و تحت شدیدترین شرایط علاقه نشان می دهند. اعتقاد بر این است که پدیده درهم تنیدگی ذرات اصولاً کانال های ارتباطی غیرقابل هک را در آینده برای ما فراهم می کند. "محافظت" در این مورد، اعلان اجتناب ناپذیر شرکت کنندگان در گفتگو است که شخص ثالثی در ارتباط آنها مداخله کرده است.

گواه این امر قوانین خدشه ناپذیر فیزیک خواهد بود - فروپاشی برگشت ناپذیر تابع موج.

نمونه‌های اولیه دستگاه‌هایی برای پیاده‌سازی چنین ارتباطات کوانتومی ایمن قبلاً ایجاد شده‌اند، اما ایده‌هایی نیز برای به خطر انداختن عملکرد همه این «کانال‌های کاملاً امن»، به عنوان مثال، از طریق اندازه‌گیری‌های کوانتومی ضعیف برگشت‌پذیر، در حال ظهور است، بنابراین هنوز مشخص نیست که آیا رمزنگاری کوانتومی این کار را انجام خواهد داد یا خیر. قادر به ترک مرحله آزمایش نمونه اولیه بدون اینکه آیا همه پیشرفت ها از قبل محکوم به فنا هستند و برای استفاده عملی نامناسب خواهند بود یا خیر.

نکته دیگر: انتقال حالت های درهم تنیده تاکنون تنها در فواصل بیش از 100 کیلومتر انجام شده است، به دلیل از دست دادن فوتون ها در فیبر نوری یا در هوا، زیرا احتمال رسیدن حداقل برخی از فوتون ها به آشکارساز به شدت کوچک می شود. هر از چند گاهی گزارش هایی درباره دستاورد بعدی در این مسیر منتشر می شود، اما هنوز نمی توان با چنین ارتباطی کل کره زمین را پوشش داد.

بنابراین، در اوایل این ماه، فیزیکدانان کانادایی تلاش های موفقیت آمیزی برای برقراری ارتباط از طریق یک کانال کوانتومی امن با یک هواپیما را اعلام کردند، اما تنها 3 تا 10 کیلومتر از فرستنده فاصله داشت.

پروتکل به اصطلاح تکرارکننده کوانتومی به عنوان یکی از راه‌های بهبود اساسی انتشار سیگنال شناخته می‌شود، اما ارزش عملی آن به دلیل نیاز به حل تعدادی از مسائل فنی پیچیده همچنان زیر سوال است.

رویکرد دیگر دقیقاً استفاده از فناوری ماهواره است، زیرا ماهواره می تواند به طور همزمان در خط دید مکان های مختلف بسیار دور از زمین باقی بماند. مزیت اصلی این روش این است که بیشتر مسیر فوتون در خلاء مجازی با جذب تقریباً صفر و عدم وابستگی خواهد بود.

برای نشان دادن امکان‌سنجی آزمایش‌های ماهواره‌ای، متخصصان چینی آزمایش‌های زمینی مقدماتی را انجام دادند که انتشار موفقیت‌آمیز دو طرفه جفت‌های فوتون درهم‌تنیده را از طریق محیط باز در فواصل 600 متر، 13 و 102 کیلومتر با کاهش مؤثر کانال 80 دسی‌بل نشان داد. همچنین آزمایش‌هایی در مورد انتقال حالت‌های کوانتومی بر روی سکوهای متحرک در شرایط تلفات و آشفتگی زیاد انجام شده است.

پس از مطالعات امکان سنجی دقیق با مشارکت دانشمندان اتریشی، یک ماهواره 100 میلیون دلاری ساخته و در 16 آگوست 2016 از مرکز پرتاب ماهواره Jiuquan در صحرای گبی با استفاده از یک پرتابگر Long March 2D به مداری در ارتفاع 500 کیلومتری پرتاب شد. .

این ماهواره به افتخار فیلسوف چینی باستان قرن پنجم قبل از میلاد، بنیانگذار موئیسم (آموزه عشق جهانی و پیامدگرایی دولتی) "مو تزو" نامگذاری شد. برای چندین قرن در چین، محیسم با موفقیت با آیین کنفوسیوس رقابت کرد تا اینکه کنفوسیوس به عنوان ایدئولوژی دولتی پذیرفته شد.

ماموریت موزی توسط سه ایستگاه زمینی پشتیبانی می شود: دلینگه (استان چینگهای)، نانشان در ارومچی (سین کیانگ) و رصدخانه گائومی گو (GMG) در لیجیانگ (استان یوننان). فاصله دلینگه و لیجیان 1203 کیلومتر است. فاصله بین ماهواره در حال گردش و این ایستگاه های زمینی بین 500-2000 کیلومتر است.

از آنجایی که فوتون های درهم تنیده را نمی توان به سادگی مانند سیگنال های کلاسیک "تقویت" کرد، باید تکنیک های جدیدی برای کاهش تضعیف پیوندهای انتقال بین زمین و ماهواره ها ایجاد می شد. برای دستیابی به راندمان ارتباطی مورد نیاز، لازم بود به طور همزمان حداقل واگرایی پرتو و هدف گیری با سرعت و دقت بالا آشکارسازها به دست آید.

این تیم با توسعه یک منبع کیهانی فوق درخشان از درهم تنیدگی دو فوتون و فناوری APT با دقت بالا (اکتساب، اشاره و ردیابی)، "جفت کوانتومی" را بین جفت فوتون هایی که در فاصله 1203 کیلومتری از هم جدا شده بودند، ایجاد کردند، دانشمندان به اصطلاح انجام دادند. تست زنگ برای آزمایش تخلفات محلی (قابلیت تأثیرگذاری آنی بر وضعیت ذرات دور) و نتیجه ای با اهمیت آماری چهار سیگما (انحراف استاندارد) به دست آمد.

نمودار منبع فوتون در ماهواره. ضخامت کریستال KTiOPO4 (PPKTP) 15 میلی متر است. یک جفت آینه مقعر خارج از محور، لیزر پمپ (PL) را در مرکز کریستال PPKTP متمرکز می کند. خروجی تداخل سنج ساگناک از دو آینه دو رنگی (DM) و فیلترها برای جدا کردن فوتون های سیگنال از لیزر پمپ استفاده می کند. دو آینه اضافی (PI)، که از راه دور از زمین کنترل می شوند، برای تنظیم دقیق جهت پرتو برای بازده جمع آوری پرتو بهینه استفاده می شوند. QWP - بخش فاز یک چهارم موج؛ HWP - بخش فاز نیمه موج؛ PBS - تقسیم کننده پرتو پلاریزه.

در مقایسه با روش‌های قبلی که از رایج‌ترین فیبرهای مخابراتی تجاری استفاده می‌کردند، راندمان اتصال ماهواره‌ای چندین مرتبه بالاتر بود، که به گفته نویسندگان مطالعه، راه را برای کاربردهای عملی که قبلاً در زمین در دسترس نبودند باز می‌کند.

A. SHISHLOVA. بر اساس مطالب مجلات "Nature" و "Science news".

در آزمایش‌های فیزیکی ظریف، به نظر می‌رسد که می‌توان کاری را انجام داد که متهورترین نویسندگان داستان‌های علمی تخیلی چیزی بیش از فانتزی غیرواقعی نمی‌دانستند: با مطالعه یکی از ذرات زمانی محدود شده، می‌توان فوراً (با سرعت فوق‌العاده!) از هر فاصله‌ای اطلاعاتی به دست آورد. در مورد وضعیت یک ذره دیگر

قهرمانان فیلم‌ها و رمان‌های علمی تخیلی مدت‌هاست که بر دوربری تسلط دارند - راهی راحت برای حرکت فوری در زمان و مکان. در مورد زندگی واقعی، این همچنان فقط یک رویا است.

با این وجود، در سال 1935، آلبرت انیشتین، همراه با همکارانش B. Podolsky و N. Rosen، آزمایشی را در مورد انتقال از راه دور، اگر نه از ماده، پس از اطلاعات، پیشنهاد کردند. این روش ارتباط ابر نوری پارادوکس EPR نامیده می شود.

ماهیت پارادوکس به شرح زیر است. دو ذره وجود دارد که برای مدتی با هم تعامل دارند و یک سیستم واحد را تشکیل می دهند. از نقطه نظر مکانیک کوانتومی، این سیستم جفت شده را می توان با یک تابع موج مشخص توصیف کرد. هنگامی که برهمکنش متوقف می شود و ذرات بسیار دورتر پرواز می کنند، همچنان با همان عملکرد توصیف می شوند. اما وضعیت هر ذره مجزا در اصل ناشناخته است: این از رابطه عدم قطعیت ناشی می شود. و تنها زمانی که یکی از آنها به گیرنده برخورد می کند، که پارامترهای آن را ثبت می کند، دیگری ویژگی های مربوطه ظاهر می شود (آنها ظاهر می شوند، شناخته نمی شوند!). یعنی "انتقال" آنی حالت کوانتومی یک ذره در یک فاصله نامحدود زیاد امکان پذیر است. انتقال از راه دور خود ذره و انتقال جرم اتفاق نمی افتد.

پرتابه ای که به دو قسمت می شکند رفتار مشابهی دارد: اگر قبل از انفجار ساکن بوده باشد، تکانه کل قطعات آن صفر است. با "گرفتن" یک قطعه و اندازه گیری تکانه آن، می توانید فوراً بزرگی تکانه قطعه دوم را مشخص کنید، مهم نیست چقدر دور پرواز می کند.

امروزه حداقل دو گروه علمی - محققان اتریشی از دانشگاه اینسبروک و محققان ایتالیایی از دانشگاه لا ساپینزا در رم - ادعا می کنند که موفق شده اند ویژگی های یک فوتون را در شرایط آزمایشگاهی تله پورت کنند.

آزمایش‌ها در اینسبروک «پیام‌هایی» را به شکل فوتون‌های قطبی شده تابش فرابنفش منتقل کردند. این فوتون در یک میکسر نوری با یکی از جفت فوتون های جفت شده برهم کنش داشت. بین آنها، به نوبه خود، یک اتصال مکانیکی کوانتومی ایجاد شد که منجر به قطبی شدن جفت جدید شد. بنابراین، آزمایش‌کنندگان به نتیجه بسیار جالبی دست یافتند: آنها یاد گرفتند فوتون‌هایی را که منشأ مشترکی ندارند، به هم متصل کنند. این امکان را برای انجام یک کلاس کامل از آزمایشات اساسی جدید باز می کند.

در نتیجه اندازه گیری، فوتون دوم از جفت جفت شده اصلی نیز مقداری قطبش ثابت را به دست آورد: یک کپی از حالت اصلی " فوتون پیام رسان" به فوتون دور منتقل شد. دشوارترین چالش اثبات این بود که حالت کوانتومی واقعاً از راه دور منتقل شده است: این امر مستلزم دانستن دقیق نحوه قرارگیری آشکارسازها برای اندازه گیری قطبش کلی بود و نیاز به همگام سازی دقیق آنها داشت.

محققان ایتالیایی به جای استفاده از یک "فوتن پیام رسان" جداگانه پیشنهاد کردند که به طور همزمان دو ویژگی هر ذره محدود را در نظر بگیرند: قطبش و جهت حرکت. این امکان را به شما می دهد تا از نظر تئوری آنها را به عنوان ذرات جداگانه توصیف کنید و در عین حال، با اندازه گیری تنها با ذره اول، ویژگی های ذره دوم را بدون دست زدن به آن به دست آورید - برای انجام دوربری.

با موفقیت در انتقال فوتون، آزمایش‌کنندگان در حال برنامه‌ریزی برای کار با ذرات دیگر - الکترون‌ها، اتم‌ها و حتی یون‌ها هستند. این اجازه می دهد تا یک حالت کوانتومی از یک ذره کوتاه مدت به یک ذره پایدارتر منتقل شود. به این ترتیب، امکان ایجاد دستگاه‌های ذخیره‌سازی وجود خواهد داشت که در آن اطلاعات به دست آمده توسط فوتون‌ها روی یون‌های جدا شده از محیط ذخیره می‌شود.

پس از ایجاد روش های قابل اعتماد از راه دور کوانتومی، پیش نیازهای واقعی برای ایجاد سیستم های محاسباتی کوانتومی به وجود می آید (به "علم و زندگی" شماره 6، 1996 مراجعه کنید). انتقال از راه دور انتقال و ذخیره سازی مطمئن اطلاعات را در پس زمینه تداخل قدرتمند، زمانی که همه روش های دیگر بی اثر هستند، فراهم می کند و می تواند برای ارتباط بین چندین کامپیوتر کوانتومی استفاده شود. علاوه بر این، خود روش‌هایی که توسط محققان توسعه داده شده‌اند برای آزمایش‌های آینده در مکانیک کوانتومی، برای آزمایش و پالایش تعدادی از نظریه‌های فیزیکی مدرن اهمیت زیادی دارند.

تله پورت کوانتومی- این انتقال از راه دور نه اشیاء فیزیکی، نه انرژی، بلکه از حالات است. اما در این حالت حالت ها به گونه ای منتقل می شوند که انجام آن در بازنمایی کلاسیک غیرممکن است. به عنوان یک قاعده، انتقال اطلاعات در مورد یک شی به تعداد زیادی اندازه گیری جامع نیاز دارد. اما آنها حالت کوانتومی را از بین می برند و ما راهی برای اندازه گیری مجدد آن نداریم. تله‌پورت کوانتومی برای انتقال و انتقال یک حالت خاص، با داشتن حداقل اطلاعات در مورد آن، بدون «نگاه کردن» به آن، بدون اندازه‌گیری و در نتیجه بدون ایجاد مزاحمت استفاده می‌شود.

کیوبیت ها

کیوبیت حالتی است که در طول انتقال کوانتومی منتقل می شود. یک بیت کوانتومی در برهم نهی دو حالت است. حالت کلاسیک، برای مثال، یا در حالت 0 یا حالت 1 است. حالت کوانتومی در یک برهم نهی است، و مهمتر از همه، تا زمانی که آن را اندازه گیری نکنیم، تعریف نمی شود. بیایید تصور کنیم که یک کیوبیت داشتیم که 30٪ - 0 و 70٪ - 1 بود. اگر آن را اندازه گیری کنیم، می توانیم هم 0 و هم 1 را بدست آوریم. شما نمی توانید با یک اندازه گیری چیزی بگویید. اما اگر 100، 1000 حالت مشابه تهیه کنیم و بارها و بارها آنها را اندازه گیری کنیم، می توانیم کاملاً دقیق این حالت را مشخص کنیم و بفهمیم که واقعاً 30٪ - 0 و 70٪ - 1 وجود دارد.

این نمونه ای از به دست آوردن اطلاعات به روش کلاسیک است. با دریافت حجم زیادی از داده، گیرنده می تواند این حالت را دوباره ایجاد کند. با این حال، مکانیک کوانتومی این امکان را فراهم می کند که بسیاری از حالت ها را آماده نکنند. بیایید تصور کنیم که ما فقط یکی داریم، یکی منحصر به فرد، و دیگری وجود ندارد. سپس دیگر امکان انتقال آن در کلاسیک وجود نخواهد داشت. از نظر فیزیکی، به طور مستقیم، این نیز همیشه ممکن نیست. و در مکانیک کوانتومی می توانیم از اثر درهم تنیدگی استفاده کنیم.

ما همچنین از پدیده غیرمحلی کوانتومی استفاده می کنیم، یعنی پدیده ای که در دنیایی که به آن عادت کرده ایم غیرممکن است، به طوری که این حالت در اینجا ناپدید می شود و در آنجا ظاهر می شود. علاوه بر این، جالب ترین چیز این است که در رابطه با همان اجسام کوانتومی قضیه ای در مورد غیر شبیه سازی وجود دارد. یعنی ایجاد حالت دوم مشابه غیرممکن است. یکی باید نابود شود تا دیگری ظاهر شود.

درهمتنیدگی کوانتومی

اثر درهم تنیدگی چیست؟ اینها دو حالت هستند که به روشی خاص آماده شده اند، دو جسم کوانتومی - کیوبیت. برای سادگی، می توانیم فوتون بگیریم. اگر این فوتون ها در فاصله زیادی از هم جدا شوند، با یکدیگر همبستگی پیدا می کنند. چه مفهومی داره؟ بیایید تصور کنیم که یک فوتون آبی و دیگری سبز است. اگر آنها را از هم جدا می‌کردیم، به آنها نگاه می‌کردیم، و من آبی را پیدا می‌کردم، رنگ شما سبز می‌شد و برعکس. یا اگر جعبه‌ای از کفش‌های حاوی یک کفش راست و چپ را بردارید، بی‌صدا آن‌ها را بیرون بیاورید و در یک کیف، یک کفش را برای خود و دیگری را برای من ببرید. پس کیف را باز کردم، نگاه می کنم: کیف مناسب را دارم. بنابراین، شما قطعا سمت چپ را دارید.

حالت کوانتومی از این جهت متفاوت است که حالتی که قبل از اندازه گیری به من رسید، نه آبی است و نه سبز - این برهم نهی آبی و سبز است. هنگامی که چکمه ها را جدا کردید، نتیجه از قبل تعیین شده است. در حالی که کیسه ها حمل می شوند، هنوز باز نشده اند، اما از قبل مشخص است که چه چیزی آنجا خواهد بود. تا زمانی که اجسام کوانتومی اندازه گیری نشوند، هنوز هیچ چیزی قطعی نشده است.

اگر رنگ را نگیریم، بلکه پلاریزاسیون، یعنی جهت نوسانات میدان الکتریکی را در نظر بگیریم، می توانیم دو گزینه را تشخیص دهیم: قطبش عمودی و افقی و +45 درجه - -45 درجه. اگر افقی و عمودی را به نسبت مساوی با هم جمع کنید +45 درجه و اگر یکی از دیگری کم کنید 45- درجه می شود. حالا بیایید تصور کنیم که دقیقاً به همین ترتیب یک فوتون به من و دیگری به شما رسید. نگاه کردم: عمودی است. پس مال شما افقی است. حالا بیایید تصور کنیم که من یک عمودی دیدم، و شما به صورت مورب به آن نگاه کردید، یعنی اگر به آن نگاه کنید - 45+ یا -45 درجه است، با احتمال مساوی یک یا آن نتیجه را خواهید دید. اما اگر به پایه مورب نگاه کردم و +45 درجه را دیدم، مطمئناً می دانم که شما -45 درجه دارید.

پارادوکس انیشتین-پودولسکی-روزن

درهم تنیدگی کوانتومی با خواص اساسی مکانیک کوانتومی و به اصطلاح پارادوکس انیشتین-پودولسکی-روزن مرتبط است. انیشتین برای مدت طولانی به مکانیک کوانتومی اعتراض داشت زیرا معتقد بود که طبیعت نمی تواند اطلاعات وضعیتی را با سرعتی بیشتر از سرعت نور منتقل کند. ما می‌توانیم فوتون‌ها را در فاصله بسیار زیادی مثلاً تا یک سال نوری پخش کنیم و در همان زمان آنها را باز کنیم. و ما همچنان شاهد این همبستگی خواهیم بود.

اما در واقع، این تئوری نسبیت را نقض نمی کند، زیرا ما هنوز نمی توانیم با استفاده از این اثر اطلاعات را منتقل کنیم. یک فوتون عمودی یا افقی اندازه گیری می شود. اما از قبل مشخص نیست که دقیقاً چه خواهد بود. علیرغم این واقعیت که انتقال اطلاعات سریعتر از سرعت نور غیرممکن است، درهم تنیدگی امکان پیاده سازی یک پروتکل دوربری کوانتومی را فراهم می کند. چیست؟ یک جفت فوتون درهم تنیده متولد می شود. یکی به فرستنده می رود، دیگری به گیرنده. فرستنده یک اندازه گیری مشترک از فوتون هدف انجام می دهد که باید آن را ارسال کند. و با احتمال ¼ او نتیجه را خوب خواهد گرفت. او می تواند این را به گیرنده منتقل کند و گیرنده در آن لحظه می داند که دقیقاً همان شرایطی را دارد که فرستنده داشته است. و با احتمال ¾ او نتیجه متفاوتی می گیرد - نه فقط یک اندازه گیری ناموفق، بلکه به سادگی یک نتیجه متفاوت. اما در هر صورت، این اطلاعات مفیدی است که می تواند به گیرنده منتقل شود. در سه مورد از چهار مورد، گیرنده باید یک چرخش اضافی کیوبیت خود را انجام دهد تا حالت ارسال شده را به دست آورد. یعنی 2 بیت اطلاعات منتقل می شود و با کمک آنها می توانید حالت پیچیده ای را که با آنها رمزگذاری نمی شود، تله پورت کنید.

رمزنگاری کوانتومی

یکی از زمینه های اصلی کاربرد تله پورت کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی است. ایده پشت این فناوری این است که یک فوتون را نمی توان شبیه سازی کرد. بنابراین، ما می توانیم اطلاعات را در این تک فوتون منتقل کنیم و هیچ کس نمی تواند آن را تکرار کند. علاوه بر این، با هر تلاشی از سوی کسی برای یافتن چیزی در مورد این اطلاعات، وضعیت فوتون تغییر می کند یا از بین می رود. بر این اساس هرگونه تلاش برای کسب این اطلاعات توسط افراد خارجی مورد توجه قرار خواهد گرفت. این می تواند در رمزنگاری و حفاظت از اطلاعات استفاده شود. درست است، این اطلاعات مفیدی نیست که منتقل می شود، بلکه یک کلید است که به طور کلاسیک امکان انتقال اطلاعات کاملاً قابل اعتماد را فراهم می کند.

این فناوری یک ایراد بزرگ دارد. واقعیت این است که همانطور که قبلاً گفتیم، ایجاد یک کپی از یک فوتون غیرممکن است. یک سیگنال معمولی در فیبر نوری را می توان تقویت کرد. در مورد کوانتومی، تقویت سیگنال غیرممکن است، زیرا تقویت معادل نوعی رهگیر خواهد بود. در زندگی واقعی، در خطوط واقعی، انتقال به مسافت تقریباً 100 کیلومتر محدود می شود. در سال 2016، مرکز کوانتومی روسیه نمایشی را در خطوط گازپرومبانک انجام داد، جایی که آنها رمزنگاری کوانتومی را بر روی 30 کیلومتر فیبر در یک محیط شهری نشان دادند.

در آزمایشگاه، ما می‌توانیم تله‌پورت کوانتومی را در فواصل 327 کیلومتری نشان دهیم. اما، متأسفانه، مسافت های طولانی غیر عملی هستند، زیرا فوتون ها در فیبر گم می شوند و سرعت بسیار پایین است. چه باید کرد؟ شما می توانید یک سرور میانی نصب کنید که اطلاعات را دریافت می کند، آن را رمزگشایی می کند، سپس دوباره آن را رمزگذاری می کند و بیشتر ارسال می کند. این همان کاری است که چینی ها برای مثال هنگام ساختن شبکه رمزنگاری کوانتومی خود انجام می دهند. آمریکایی ها نیز از همین رویکرد استفاده می کنند.

تله پورت کوانتومی در این مورد روش جدیدی است که به شما امکان می دهد مشکل رمزنگاری کوانتومی را حل کنید و فاصله را تا هزاران کیلومتر افزایش دهید. و در این حالت همان فوتونی که منتقل می شود بارها تله پورت می شود. گروه های زیادی در سراسر جهان روی این وظیفه کار می کنند.

حافظه کوانتومی

بیایید زنجیره ای از تله پورت ها را تصور کنیم. هر یک از پیوندها دارای یک مولد جفت های درهم تنیده است که باید آنها را ایجاد و توزیع کند. این همیشه با موفقیت اتفاق نمی افتد. گاهی اوقات باید منتظر بمانید تا تلاش بعدی برای توزیع جفت موفقیت آمیز باشد. و کیوبیت باید جایی داشته باشد که منتظر انتقال از راه دور باشد. این حافظه کوانتومی است.

در رمزنگاری کوانتومی، نوعی ایستگاه راه است. چنین ایستگاه هایی تکرار کننده های کوانتومی نامیده می شوند و اکنون یکی از مناطق اصلی تحقیق و آزمایش هستند. این یک موضوع پرطرفدار است؛ در اوایل دهه 2010، تکرارکننده‌ها یک چشم‌انداز بسیار دور بودند، اما اکنون این کار امکان‌پذیر به نظر می‌رسد. عمدتاً به این دلیل که فناوری به طور مداوم در حال تحول است، از جمله به دلیل استانداردهای مخابراتی.

پیشرفت آزمایش در آزمایشگاه

اگر به آزمایشگاه ارتباطات کوانتومی بیایید، الکترونیک و فیبر نوری زیادی خواهید دید. همه اپتیک ها استاندارد هستند، مخابرات، لیزرها در جعبه های استاندارد کوچک - تراشه ها هستند. اگر به آزمایشگاه بروید الکساندر لووفسکی، جایی که، به ویژه، آنها از راه دور انتقال می دهند، سپس یک میز نوری را مشاهده خواهید کرد که بر روی پایه های پنوماتیک تثبیت شده است. یعنی اگر این میز را که یک تن وزن دارد با انگشت خود لمس کنید، شروع به شناور شدن و تاب خوردن می کند. این کار به این دلیل انجام می شود که فناوری پیاده سازی پروتکل های کوانتومی بسیار حساس است. اگر روی پاهای سفت بایستید و راه بروید، همه اینها به دلیل ارتعاشات میز است. یعنی اینها اپتیک باز هستند، لیزرهای نسبتاً گران قیمت. به طور کلی، این تجهیزات کاملاً حجیم است.

حالت اولیه توسط لیزر تهیه می شود. برای تهیه حالت های درهم تنیده از یک کریستال غیر خطی استفاده می شود که توسط لیزر پالسی یا پیوسته پمپ می شود. به دلیل اثرات غیر خطی، جفت فوتون متولد می شود. بیایید تصور کنیم که ما یک فوتون انرژی دو داریم - ℏ(2ω)، آن را به دو فوتون انرژی یک تبدیل می کنیم - ℏω+ ℏω. این فوتون ها فقط با هم متولد می شوند؛ اول یک فوتون نمی تواند جدا شود، سپس دیگری. و آنها به هم متصل هستند (درهم) و همبستگی های غیر کلاسیک را نشان می دهند.

تاریخچه و تحقیقات جاری

بنابراین، در مورد تله پورت کوانتومی، اثری مشاهده می شود که ما نمی توانیم آن را در زندگی روزمره مشاهده کنیم. اما یک تصویر بسیار زیبا و خارق العاده وجود داشت که برای توصیف این پدیده مناسب بود و به همین دلیل به آن اصطلاحاً تله پورت کوانتومی می گفتند. همانطور که قبلاً ذکر شد، هیچ لحظه ای در زمان وجود ندارد که یک کیوبیت هنوز در اینجا وجود داشته باشد، اما قبلاً در آنجا ظاهر شده است. یعنی ابتدا در اینجا از بین می رود و تنها پس از آن در آنجا ظاهر می شود. این همان تله پورت است.

تله پورت کوانتومی در سال 1993 توسط گروهی از دانشمندان آمریکایی به رهبری چارلز بنت به صورت تئوری پیشنهاد شد - در آن زمان این اصطلاح ظاهر شد. اولین اجرای آزمایشی در سال 1997 توسط دو گروه از فیزیکدانان در اینسبروک و رم انجام شد. به تدریج، دانشمندان توانستند حالت ها را در فواصل فزاینده ای - از یک متر تا صدها کیلومتر یا بیشتر - منتقل کنند.

اکنون مردم در تلاش هستند تا آزمایشاتی انجام دهند که ممکن است در آینده مبنایی برای تکرارکننده های کوانتومی شود. پیش بینی می شود که طی 5 تا 10 سال آینده شاهد تکرارکننده های کوانتومی واقعی باشیم. جهت انتقال حالت بین اجسام با طبیعت مختلف نیز در حال توسعه است، از جمله در می 2016، انتقال کوانتومی ترکیبی در مرکز کوانتوم، در آزمایشگاه الکساندر لووفسکی انجام شد. این نظریه نیز ثابت نمی ماند. در همان مرکز کوانتومی، تحت رهبری الکسی فدوروف، یک پروتکل تله پورت نه در یک جهت، بلکه دو طرفه در حال توسعه است، به طوری که با کمک یک جفت، می توان حالت ها را به طور همزمان به یکدیگر از راه دور منتقل کرد.

کار ما روی رمزنگاری کوانتومی یک توزیع کوانتومی و دستگاه کلید ایجاد می کند، به این معنی که کلیدی را تولید می کنیم که قابل رهگیری نیست. و سپس کاربر می تواند با استفاده از پد به اصطلاح یک بار مصرف، اطلاعات را با این کلید رمزگذاری کند. مزایای جدید فناوری های کوانتومی باید در دهه آینده آشکار شود. ایجاد حسگرهای کوانتومی در حال توسعه است. ماهیت آنها این است که به دلیل اثرات کوانتومی می توانیم، برای مثال، میدان مغناطیسی و دما را بسیار دقیق تر اندازه گیری کنیم. یعنی به اصطلاح مراکز NV در الماس ها گرفته می شود - این الماس های کوچک هستند، آنها دارای نقص های نیتروژن هستند که مانند اجسام کوانتومی رفتار می کنند. آنها بسیار شبیه به یک اتم منجمد هستند. با نگاه کردن به این نقص، می توان تغییرات دما را حتی در داخل یک سلول مشاهده کرد. یعنی نه فقط دمای زیر بازو، بلکه دمای اندامک داخل سلول را اندازه گیری کنید.

مرکز کوانتومی روسیه نیز یک پروژه دیود اسپین دارد. ایده این است که ما می توانیم یک آنتن بگیریم و شروع به برداشت انرژی از امواج رادیویی پس زمینه بسیار کارآمد کنیم. کافی است به یاد بیاورید که اکنون چند منبع وای فای در شهرها وجود دارد تا متوجه شوید که انرژی امواج رادیویی زیادی در اطراف وجود دارد. می توان از آن برای سنسورهای پوشیدنی (به عنوان مثال، سنسور قند خون) استفاده کرد. آنها به منبع انرژی ثابت نیاز دارند: یا باتری یا سیستمی که انرژی را از جمله از تلفن همراه جمع آوری می کند. یعنی از یک طرف می توان این مشکلات را با پایه المان موجود با کیفیت خاصی حل کرد و از طرف دیگر می توان از فناوری های کوانتومی استفاده کرد و این مشکل را حتی بهتر و حتی کوچکتر حل کرد.

مکانیک کوانتومی زندگی بشر را به شدت تغییر داده است. نیمه هادی ها، بمب اتمی، انرژی هسته ای - اینها همه اشیایی هستند که به لطف آن کار می کنند. اکنون کل جهان در حال تلاش برای کنترل خواص کوانتومی ذرات منفرد، از جمله ذرات درهم تنیده است. به عنوان مثال، انتقال از راه دور شامل سه ذره است: یک جفت و یک هدف. اما هر کدام به صورت جداگانه مدیریت می شوند. کنترل فردی ذرات بنیادی افق های جدیدی را برای فناوری از جمله رایانه کوانتومی باز می کند.

یوری کوروچکین، کاندیدای علوم فیزیک و ریاضی، رئیس آزمایشگاه ارتباطات کوانتومی مرکز کوانتوم روسیه.

برچسب ها:

افزودن برچسب

پیش از این هرگز RuNet چنین عطشی برای دانش در مکانیک کوانتومی را تجربه نکرده بود که پس از انتشار مقاله ای در روزنامه کومرسانت که در آن به برنامه هایی برای معرفی "Teleportation" در روسیه اشاره شد. برنامه آژانس ابتکارات راهبردی (ASI) برای توسعه فناوری روسیه، اما به "تلپورتاسیون" محدود نمی شود، بلکه این اصطلاح است که توجه شبکه های اجتماعی و رسانه ها را به خود جلب کرده و دلیل آن شده است. شوخی های زیادی

سپس ذرات درهم تنیده به فاصله مورد نیاز برده می شوند - به طوری که فوتون های A و B در یک مکان و فوتون های C در جای دیگر باقی می مانند. یک کابل فیبر نوری بین دو نقطه گذاشته می شود. توجه داشته باشید که حداکثر فاصله ای که در آن تله پورت کوانتومی انجام شده است در حال حاضر بیش از 100 کیلومتر است.

هدف انتقال حالت کوانتومی ذره غیر درهم تنیده A به ذره C است. برای انجام این کار، دانشمندان ویژگی کوانتومی فوتون‌های A و B را اندازه‌گیری می‌کنند. سپس نتایج اندازه‌گیری به یک کد دوتایی تبدیل می‌شوند که تفاوت‌های بین ذرات A و B را نشان می‌دهد. .

سپس این کد از طریق یک کانال ارتباطی سنتی - یک فیبر نوری - منتقل می شود و گیرنده پیام در انتهای دیگر کابل که دارای ذره C است، از این اطلاعات به عنوان یک دستورالعمل یا کلید برای دستکاری ذره C استفاده می کند. ذات، بازیابی حالتی که ذره C با کمک ذره C داشته است. ذره A. در نتیجه، ذره C حالت کوانتومی ذره A را کپی می کند - اطلاعات از راه دور منتقل می شود.

چرا این همه مورد نیاز است؟

اول از همه، تله‌پورت کوانتومی برای استفاده در فناوری‌های ارتباطات کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی برنامه‌ریزی شده است - امنیت این نوع ارتباطات هم برای تجارت و هم برای دولت جذاب به نظر می‌رسد، و استفاده از تله‌پورت کوانتومی به ما امکان می‌دهد از از دست دادن اطلاعات در زمانی که فوتون ها در امتداد یک فیبر نوری حرکت می کنند.

به عنوان مثال، اخیراً در مورد انتقال موفقیت آمیز اطلاعات کوانتومی بین دو دفتر گازپرومبانک در مسکو از طریق یک فیبر نوری به طول 30.6 کیلومتر شناخته شده است. پروژه ای که مرکز کوانتومی روسیه (RCC) روی آن کار کرد و گازپرومبانک و وزارت آموزش و علوم فدراسیون روسیه 450 میلیون روبل در آن سرمایه گذاری کردند، در واقع اولین خط ارتباطی کوانتومی "شهری" در روسیه بود.

جهت دیگر کامپیوترهای کوانتومی است، جایی که ذرات درهم تنیده را می توان به عنوان کیوبیت - واحدهای اطلاعات کوانتومی - استفاده کرد.

ایده دیگر «اینترنت کوانتومی» است: یک شبکه ارتباطی کامل که صرفاً مبتنی بر ارتباطات کوانتومی است. الکساندر لووفسکی، کارمند و پروفسور RCC در دانشگاه کلگری، خاطرنشان کرد: با این حال، برای اجرای این مفهوم، محققان باید "یاد بگیرند که حالات کوانتومی را بین اجسام با طبیعت فیزیکی مختلف - فوتون ها، اتم ها، نقاط کوانتومی، مدارهای ابررسانا و غیره منتقل کنند." در گفتگو با N+1 .

توجه داشته باشید که در حال حاضر دانشمندان عمدتاً حالات فوتون ها و اتم ها را از راه دور انتقال می دهند. هنوز امکان تله پورت اجسام بزرگتر وجود ندارد.

تله پورت کوانتومی به عنوان "همان" تله پورت

ظاهراً، از نظر فرضی، تله‌پورت کوانتومی همچنان می‌تواند برای ایجاد کپی‌هایی از اجسام بزرگ، از جمله انسان‌ها استفاده شود - بالاخره بدن نیز از اتم‌هایی تشکیل شده است که حالات کوانتومی آن‌ها قابل انتقال از راه دور هستند. با این حال، در مرحله کنونی توسعه فناوری، این امر غیرممکن تلقی می شود و به قلمرو علمی تخیلی تنزل می یابد.

ما از اکسیژن، هیدروژن و کربن ساخته شده‌ایم، با افزودن کمی از عناصر شیمیایی دیگر. اگر تعداد مورد نیاز اتم های عناصر مورد نیاز را جمع آوری کنیم و سپس با استفاده از تله پورت، آنها را به حالتی مشابه در بدن فرد تله پورت شده برسانیم، همان فرد را به دست خواهیم آورد. از نظر فیزیکی به جز موقعیتش در فضا قابل تشخیص نیست (در نهایت ذرات کوانتومی یکسان قابل تشخیص نیستند). البته من تا حد زیادی اغراق می کنم - یک ابدیت کامل ما را از دوربری انسانی جدا می کند. با این حال، ماهیت موضوع دقیقاً این است: ذرات کوانتومی یکسان در همه جا یافت می‌شوند، اما رساندن آنها به حالت کوانتومی مطلوب اصلاً آسان نیست.»