Kemungkinan teleportasi adalah salah satu isu paranormal dan parascientific yang paling hangat diperdebatkan. Selain itu, hal ini didasarkan pada ide-ide mistik yang fantastis dan pencapaian ilmiah tertentu. Namun, berbagai laporan menyebutkan teleportasi yang akan dicapai dalam praktiknya, hanyalah penggunaan informasi yang tidak adil tentang teleportasi kuantum. Teleportasi kuantum merupakan fenomena fisika yang nyata, namun hanya berhubungan secara tidak langsung dengan teleportasi dari teori mistik dan karya fiksi ilmiah.

Tidak bisa melakukannya tanpa Einstein

Praktek teleportasi melibatkan perpindahan materi dari satu titik di ruang ke titik lain tanpa lintasan pergerakan yang terus menerus. Artinya, tidak mungkin melacak urutan keberadaan suatu zat yang tidak terputus pada titik tertentu pada setiap momen waktu berikutnya. Jadi, materi menghilang untuk sementara waktu, dan kemudian muncul di tempat yang sama sekali berbeda. Tentu saja, hal serupa tidak terjadi dalam kasus teleportasi kuantum. Hal ini terkait dengan sifat khusus kuanta dan pertama kali dirumuskan pada tingkat teoretis pada tahun 1930-an oleh Albert Einstein yang terkenal.

Dia menyarankan bahwa antara dua partikel mungkin terdapat saluran komunikasi yang disebut kuanta terjerat, yang melaluinya transfer sifat dari satu partikel elementer ke partikel elementer lainnya dimungkinkan. Secara fisik, partikel-partikel elementer tidak saling bersentuhan, yaitu tidak bersentuhan. Properti satu partikel dikirim melalui kuantum, dan pada titik keberangkatan properti ini dihancurkan dan menghilang, partikel pengirim kehilangan properti ini. Pada gilirannya, sifat ini muncul pada partikel lain, “diangkut” melalui kuanta terjerat. Baik energi maupun materi itu sendiri tidak “melompat” antar partikel, dan kecepatan perpindahan sifat tidak melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Jadi, tidak ada hukum fisika yang dilanggar dan kita tidak dapat membicarakan teleportasi yang sebenarnya. Merupakan ciri khas bahwa Einstein tidak percaya pada kelayakan praktis dari model teoritisnya, mengingat teleportasi kuantum sebagai konsekuensi dari inkonsistensi teori kuantum itu sendiri.

Implementasi dalam praktik

Teleportasi kuantum, juga dikenal sebagai efek EPR (dinamai berdasarkan nama rekan penulis karya teoretis tentang topik ini - Einstein, Podolsky, Rosen), dianggap murni spekulatif selama hampir setengah abad. Namun pada tahun 1980, keberadaan efek ini dikonfirmasi secara eksperimental. Apa yang disebut teleportasi foton dilakukan, yaitu perpindahan properti dari satu foton ke foton lainnya. Awalnya, para ilmuwan tidak dapat menemukan penjelasan atas fenomena yang bertentangan dengan hukum fisika ini. Namun, kemudian mereka teringat prinsip teleportasi kuantum yang dirumuskan oleh Einstein dan rekan-rekannya - dan semuanya berjalan lancar.

Selain itu, kekhasan teleportasi kuantum adalah kemungkinan transfer sifat antar partikel elementer dalam jarak yang cukup jauh. Namun di saat yang sama, berbagai kesulitan pun muncul. Dengan demikian, dengan cepat menjadi jelas bahwa teleportasi kuantum memiliki keterbatasan yang melekat pada saluran komunikasi mana pun - kecepatan transmisi informasi tidak boleh melebihi kecepatan maksimum yang tersedia untuk saluran tersebut. Paling-paling, ia akan mendekati kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Selain itu, teleportasi kuantum tidak memiliki kesamaan dengan teleportasi “klasik”, yang dikenal dari novel fiksi ilmiah. Perpindahan energi dan materi dari satu titik ke titik lainnya masih belum mungkin dilakukan. Jadi para penggemar yang ingin mencapai teleportasi manusia harus menunggu. Mungkin saja kita harus menunggu tanpa batas waktu: bahkan jika metode teleportasi materi ditemukan, sulit membayangkan kemungkinan menteleportasi makhluk cerdas dan menciptakan kembali mekanisme kesadaran yang lengkap di tempat baru.

Eksperimen mendorong sains

Teleportasi kuantum telah mendapat liputan pers yang luas sehubungan dengan pencapaian terbaru para ilmuwan Jepang di bidang ini. Selama berbagai percobaan mereka mencapai hasil yang mengesankan. Dalam kasus pertama, eksperimen tersebut ternyata sangat mengesankan: para peneliti mampu “menteleportasi” sejumlah cahaya. Intinya, ini adalah teleportasi foton - cahaya "terurai" menjadi partikel foton individu dan, menggunakan saluran komunikasi kuanta terjerat, mereka dipindahkan ke titik lain di ruang angkasa, di mana mereka dikumpulkan kembali menjadi berkas cahaya. Dalam kasus kedua, teleportasi kuantum pertama dicapai bukan antara dua, tetapi antara tiga foton. Dari sudut pandang teknologi ilmiah praktis, ini adalah terobosan nyata yang membuka prospek nyata bagi penciptaan komputer kuantum. Komputer-komputer ini akan jauh lebih produktif dalam hal kecepatan pemrosesan data, serta volume totalnya.

Namun eksperimen Jepang dengan teleportasi kuantum bukanlah satu-satunya; upaya ke arah ini telah berlangsung selama beberapa dekade, tetapi sangat aktif dalam beberapa tahun terakhir. Jadi, pada tahun 2004, eksperimen yang berhasil dalam teleportasi kuantum dilakukan bukan antara foton, tetapi antar atom - dalam kasus pertama, ion atom kalsium bertukar sifat, yang kedua - ion atom berilium. Pada tahun 2006, teleportasi kuantum dilakukan antara dua objek yang sifatnya berbeda, antara atom cesium, di satu sisi, dan kuanta radiasi laser, di sisi lain. Dari tahun 2010 hingga 2012, para ilmuwan secara konsisten membuat rekor jarak yang mengesankan untuk teleportasi kuantum: pertama di Tiongkok, properti antar foton ditransfer sejauh 16 kilometer, kemudian di Kerajaan Tengah pencapaiannya ditingkatkan menjadi 97 kilometer, dan kemudian di Austria, para peneliti mencapai teleportasi sebesar 143 kilometer.

Alexander Babitsky

Sekelompok ilmuwan dari Akademi Ilmu Pengetahuan China melakukan percobaan satelit tentang transfer keadaan kuantum antara pasangan foton yang terjerat (disebut teleportasi kuantum) pada jarak yang mencapai rekor lebih dari 1200 km.

Fenomena (atau keterjeratan) terjadi ketika keadaan dua partikel atau lebih saling bergantung (berkorelasi), yang dapat dipisahkan dalam jarak yang sangat jauh, namun pada saat yang sama mereka terus “merasakan” satu sama lain. Mengukur parameter suatu partikel menyebabkan kehancuran seketika dari keadaan terjerat partikel lain, yang sulit dibayangkan tanpa memahami prinsip-prinsip mekanika kuantum, terutama karena partikel (ini adalah ditampilkan secara khusus dalam eksperimen yang melanggar apa yang disebut ketidaksetaraan Bell) tidak memiliki parameter tersembunyi apa pun di mana informasi tentang status "pendamping" akan disimpan, dan pada saat yang sama, perubahan status secara instan tidak menyebabkan pelanggaran prinsip kausalitas dan tidak mengizinkan informasi berguna dikirimkan dengan cara ini.

Untuk mengirimkan informasi nyata, perlu juga melibatkan partikel yang bergerak dengan kecepatan tidak melebihi kecepatan cahaya. Partikel yang terjerat dapat berupa, misalnya, foton yang memiliki nenek moyang yang sama, dan parameter bergantungnya, misalnya, putarannya.

Tidak hanya ilmuwan yang terlibat dalam fisika fundamental, tetapi juga para insinyur yang merancang komunikasi aman menunjukkan minat dalam mentransmisikan keadaan partikel yang terjerat dalam jarak yang semakin jauh dan dalam kondisi yang paling ekstrem. Fenomena keterikatan partikel diyakini akan memberi kita, pada prinsipnya, saluran komunikasi yang tidak dapat diretas di masa depan. “Perlindungan” dalam hal ini adalah pemberitahuan yang tidak dapat dihindari kepada peserta percakapan bahwa pihak ketiga telah melakukan intervensi dalam komunikasi mereka.

Buktinya adalah hukum fisika yang tidak dapat diganggu gugat - keruntuhan fungsi gelombang yang tidak dapat diubah.

Prototipe perangkat untuk mengimplementasikan komunikasi kuantum yang aman telah dibuat, namun ide-ide juga bermunculan untuk mengkompromikan pengoperasian semua “saluran yang benar-benar aman” ini, misalnya, melalui pengukuran kuantum lemah yang dapat dibalik, sehingga masih belum jelas apakah kriptografi kuantum akan melakukannya. dapat meninggalkan tahap pengujian prototipe tanpa mengetahui apakah semua pengembangan akan gagal terlebih dahulu dan tidak cocok untuk penggunaan praktis.

Hal lain: transmisi keadaan terjerat sejauh ini hanya dilakukan pada jarak tidak melebihi 100 km, karena hilangnya foton di serat optik atau di udara, karena kemungkinan setidaknya sebagian foton akan mencapai detektor menjadi semakin kecil. Dari waktu ke waktu, laporan muncul tentang pencapaian selanjutnya di sepanjang jalur ini, namun belum mungkin untuk mencakup seluruh dunia dengan hubungan seperti itu.

Jadi, awal bulan ini, fisikawan Kanada mengumumkan upaya yang berhasil untuk berkomunikasi melalui saluran kuantum yang aman dengan pesawat terbang, namun jaraknya hanya 3-10 km dari pemancar.

Apa yang disebut protokol pengulang kuantum diakui sebagai salah satu cara untuk meningkatkan propagasi sinyal secara radikal, namun nilai praktisnya masih dipertanyakan karena kebutuhan untuk memecahkan sejumlah masalah teknis yang kompleks.

Pendekatan lainnya adalah penggunaan teknologi satelit, karena satelit dapat tetap saling berhadapan di berbagai tempat yang sangat jauh di Bumi pada saat yang bersamaan. Keuntungan utama dari pendekatan ini adalah bahwa sebagian besar jalur foton akan berada dalam ruang hampa virtual, dengan penyerapan hampir nol dan tidak ada dekoherensi.

Untuk menunjukkan kelayakan eksperimen satelit, para ahli Tiongkok melakukan uji lapangan awal yang menunjukkan keberhasilan propagasi dua arah dari pasangan foton terjerat melalui media terbuka pada jarak 600 m, 13, dan 102 km dengan kehilangan saluran efektif sebesar 80 dB. Eksperimen juga telah dilakukan pada transfer keadaan kuantum pada platform bergerak dalam kondisi kehilangan dan turbulensi yang tinggi.

Setelah studi kelayakan terperinci dengan partisipasi ilmuwan Austria, satelit senilai $100 juta dikembangkan dan diluncurkan pada 16 Agustus 2016 dari Pusat Peluncuran Satelit Jiuquan di Gurun Gobi menggunakan kendaraan peluncuran Long March 2D ke orbit pada ketinggian 500 km. .

Satelit tersebut diberi nama “Mo Tzu” untuk menghormati filsuf Tiongkok kuno abad ke-5 SM, pendiri Moisme (doktrin cinta universal dan konsekuensialisme negara). Selama beberapa abad di Tiongkok, Mohisme berhasil bersaing dengan Konfusianisme hingga Konfusianisme diadopsi sebagai ideologi negara.

Misi Mozi didukung oleh tiga stasiun bumi: Delinghe (Provinsi Qinghai), Nanshan di Urumqi (Xinjiang) dan Observatorium GaoMeiGu (GMG) di Lijiang (Provinsi Yunnan). Jarak antara Delinghe dan Lijian adalah 1203 km. Jarak antara satelit yang mengorbit dan stasiun bumi tersebut berkisar antara 500-2000 km.

Karena foton yang terjerat tidak dapat “diperkuat” begitu saja seperti sinyal klasik, teknik baru harus dikembangkan untuk mengurangi redaman dalam hubungan transmisi antara Bumi dan satelit. Untuk mencapai efisiensi komunikasi yang diperlukan, perlu untuk secara bersamaan mencapai divergensi sinar minimal dan penargetan detektor berkecepatan tinggi dan presisi tinggi.

Setelah mengembangkan sumber kosmik ultra-bercahaya yang terdiri dari belitan dua foton dan teknologi APT (acquiring,pointing, and tracking) presisi tinggi, tim tersebut membuat “penggandengan kuantum” antara pasangan foton yang terpisah sejauh 1.203 km, para ilmuwan melakukan apa yang disebut Uji bel untuk menguji pelanggaran lokalitas (kemampuan untuk secara instan mempengaruhi keadaan partikel yang jauh) dan memperoleh hasil dengan signifikansi statistik empat sigma (deviasi standar).

Diagram sumber foton di satelit. Ketebalan kristal KTiOPO4 (PPKTP) adalah 15 mm. Sepasang cermin cekung off-axis memfokuskan laser pompa (PL) di pusat kristal PPKTP. Output dari interferometer Sagnac menggunakan dua cermin dikromatik (DM) dan filter untuk memisahkan foton sinyal dari laser pompa. Dua cermin tambahan (PI), yang dikendalikan dari jarak jauh dari tanah, digunakan untuk menyesuaikan arah sinar untuk efisiensi pengumpulan sinar yang optimal. QWP - bagian fase seperempat gelombang; HWP - bagian fase setengah gelombang; PBS - pembagi sinar polarisasi.

Dibandingkan dengan metode sebelumnya yang menggunakan serat telekomunikasi komersial paling umum, efisiensi koneksi satelit jauh lebih tinggi, yang menurut penulis penelitian, membuka jalan menuju aplikasi praktis yang sebelumnya tidak tersedia di Bumi.

A.SHISHLOVA. Berdasarkan materi dari jurnal "Nature" dan "Science news".

Dalam eksperimen fisik yang halus, tampaknya kita bisa melakukan apa yang oleh para penulis fiksi ilmiah paling berani dianggap sebagai fantasi yang tidak realistis: dengan mempelajari salah satu partikel yang pernah terikat, seseorang dapat memperoleh informasi secara instan (dengan kecepatan superluminal!) dari jarak berapa pun. tentang keadaan partikel lain.

Pahlawan film dan novel fiksi ilmiah telah lama menguasai teleportasi - cara mudah untuk berpindah secara instan dalam ruang dan waktu. Sedangkan dalam kehidupan nyata, ini tetap hanya mimpi.

Namun demikian, pada tahun 1935, Albert Einstein, bersama rekannya B. Podolsky dan N. Rosen, mengusulkan eksperimen tentang teleportasi, jika bukan materi, maka informasi. Metode komunikasi superluminal ini disebut Paradoks EPR.

Inti dari paradoks tersebut adalah sebagai berikut. Ada dua partikel yang berinteraksi selama beberapa waktu, membentuk satu sistem. Dari sudut pandang mekanika kuantum, sistem berpasangan ini dapat digambarkan dengan fungsi gelombang tertentu. Ketika interaksi berhenti dan partikel terbang sangat jauh, mereka akan tetap dijelaskan dengan fungsi yang sama. Namun keadaan masing-masing partikel pada prinsipnya tidak diketahui: hal ini disebabkan oleh hubungan ketidakpastian. Dan hanya ketika salah satu dari mereka mengenai penerima, yang mencatat parameternya, yang lain muncul (muncul, tidak diketahui!) karakteristik yang sesuai. Artinya, “transfer” keadaan kuantum suatu partikel secara instan dalam jarak yang sangat jauh adalah mungkin. Teleportasi partikel itu sendiri dan perpindahan massa tidak terjadi.

Sebuah proyektil yang pecah menjadi dua berperilaku serupa: jika proyektil tersebut diam sebelum ledakan, momentum total pecahannya adalah nol. Dengan “menangkap” satu pecahan dan mengukur momentumnya, Anda dapat langsung menentukan besarnya momentum pecahan kedua, tidak peduli seberapa jauh ia terbang.

Saat ini, setidaknya dua kelompok ilmiah - peneliti Austria dari Universitas Innsbruck dan peneliti Italia dari Universitas La Sapienza di Roma - mengklaim bahwa mereka telah berhasil menteleportasi karakteristik foton dalam kondisi laboratorium.

Eksperimen di Innsbruck menyampaikan “pesan” dalam bentuk foton radiasi ultraviolet yang terpolarisasi. Foton ini berinteraksi dalam pencampur optik dengan salah satu dari sepasang foton berpasangan. Di antara mereka, pada gilirannya, hubungan mekanika kuantum muncul, yang mengarah pada polarisasi pasangan baru. Dengan demikian, para peneliti mencapai hasil yang sangat menarik: mereka belajar mengikat foton yang tidak memiliki asal usul yang sama. Hal ini membuka kemungkinan untuk melakukan seluruh kelas eksperimen baru yang fundamental.

Sebagai hasil pengukuran, foton kedua dari pasangan berpasangan asli juga memperoleh beberapa polarisasi tetap: salinan keadaan asli “foton pembawa pesan” ditransmisikan ke foton jauh. Tantangan yang paling sulit adalah membuktikan bahwa keadaan kuantum memang diteleportasi: hal ini memerlukan pengetahuan yang tepat bagaimana posisi detektor untuk mengukur keseluruhan polarisasi, dan memerlukan sinkronisasi yang cermat.

Daripada menggunakan "foton pembawa pesan" yang terpisah, peneliti Italia mengusulkan untuk secara bersamaan mempertimbangkan dua karakteristik setiap partikel yang terikat: polarisasi dan arah gerak. Hal ini memungkinkan untuk menggambarkan mereka secara teoritis sebagai partikel yang terpisah dan pada saat yang sama, melakukan pengukuran hanya dengan partikel pertama, memperoleh karakteristik partikel kedua tanpa menyentuhnya - untuk melakukan teleportasi.

Setelah mencapai keberhasilan dalam teleportasi foton, para peneliti sudah berencana untuk bekerja dengan partikel lain - elektron, atom, dan bahkan ion. Hal ini akan memungkinkan terjadinya perpindahan keadaan kuantum dari partikel berumur pendek ke partikel yang lebih stabil. Dengan cara ini, dimungkinkan untuk membuat perangkat penyimpanan dimana informasi yang dibawa oleh foton akan disimpan pada ion yang diisolasi dari lingkungan.

Setelah penciptaan metode teleportasi kuantum yang andal, prasyarat nyata akan muncul untuk penciptaan sistem komputasi kuantum (lihat "Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan" No. 6, 1996). Teleportasi akan memastikan transmisi dan penyimpanan informasi yang andal dengan latar belakang interferensi yang kuat, ketika semua metode lain tidak efektif, dan dapat digunakan untuk komunikasi antara beberapa komputer kuantum. Selain itu, metode yang dikembangkan oleh para peneliti itu sendiri sangat penting untuk eksperimen mekanika kuantum di masa depan, untuk menguji dan menyempurnakan sejumlah teori fisika modern.

Teleportasi kuantum- ini adalah teleportasi bukan objek fisik, bukan energi, tetapi keadaan. Namun dalam kasus ini, negara-negara ditransmisikan dengan cara yang tidak mungkin dilakukan dalam representasi klasik. Biasanya, transmisi informasi tentang suatu objek memerlukan sejumlah besar pengukuran komprehensif. Tapi mereka menghancurkan keadaan kuantum, dan kita tidak punya cara untuk mengukurnya lagi. Teleportasi kuantum digunakan untuk mengirimkan dan mentransfer keadaan tertentu, memiliki informasi minimal tentangnya, tanpa “melihat” ke dalamnya, tanpa mengukurnya, dan dengan demikian tanpa mengganggunya.

Qubit

Qubit adalah keadaan yang ditransfer selama teleportasi kuantum. Bit kuantum berada dalam superposisi dua keadaan. Keadaan klasik, misalnya, berada dalam keadaan 0 atau keadaan 1. Keadaan kuantum berada dalam superposisi, dan, yang lebih penting, sampai kita mengukurnya, keadaan tersebut tidak akan terdefinisi. Bayangkan kita memiliki qubit dengan nilai 30% - 0 dan 70% - 1. Jika kita mengukurnya, kita bisa mendapatkan 0 dan 1. Anda tidak bisa mengatakan apa pun dengan satu pengukuran. Tetapi jika kita menyiapkan 100.1000 keadaan identik dan mengukurnya berulang kali, kita dapat mengkarakterisasi keadaan ini dengan cukup akurat dan memahami bahwa memang ada 30% - 0 dan 70% - 1.

Ini adalah contoh memperoleh informasi dengan cara klasik. Setelah menerima data dalam jumlah besar, penerima dapat membuat ulang keadaan ini. Namun, mekanika kuantum tidak memungkinkan untuk mempersiapkan banyak keadaan. Bayangkan kita hanya mempunyai satu yang unik, dan tidak ada yang lain. Maka tidak mungkin lagi menyampaikannya secara klasik. Secara fisik, secara langsung, hal ini juga tidak selalu memungkinkan. Dan dalam mekanika kuantum kita bisa menggunakan efek keterikatan.

Kami juga menggunakan fenomena nonlokalitas kuantum, yaitu fenomena yang tidak mungkin terjadi di dunia yang biasa kita alami, sehingga keadaan tersebut menghilang di sini dan muncul di sana. Selain itu, yang paling menarik adalah dalam kaitannya dengan objek kuantum yang sama terdapat teorema tentang non-kloning. Artinya, tidak mungkin menciptakan negara kedua yang identik. Yang satu harus dihancurkan agar yang lain bisa muncul.

Keterikatan kuantum

Apa efek keterjeratan? Ini adalah dua keadaan yang disiapkan dengan cara khusus, dua objek kuantum - qubit. Untuk mempermudah, kita dapat mengambil foton. Jika foton-foton ini dipisahkan dalam jarak yang jauh, maka foton-foton tersebut akan berkorelasi satu sama lain. Apa artinya? Bayangkan kita mempunyai satu foton berwarna biru dan foton lainnya berwarna hijau. Jika kita membongkarnya, melihatnya, dan saya menemukan warna biru, maka warna Anda menjadi hijau, dan sebaliknya. Atau jika kamu mengambil sekotak sepatu yang berisi sepatu kanan dan kiri, keluarkan secara diam-diam dan di dalam tas ambilkan satu sepatu untuk kamu dan satu lagi untuk saya. Jadi saya membuka tasnya, saya melihat: Saya punya yang benar. Jadi, Anda pasti punya yang kiri.

Kasus kuantum berbeda karena keadaan yang saya peroleh sebelum pengukuran bukanlah biru atau hijau - ini adalah superposisi biru dan hijau. Setelah Anda memisahkan sepatu botnya, hasilnya sudah ditentukan sebelumnya. Saat tas dibawa, belum dibuka, namun sudah jelas apa yang ada di sana. Sampai objek kuantum diukur, belum ada keputusan yang diambil.

Jika kita tidak mengambil warna, tetapi polarisasi, yaitu arah osilasi medan listrik, kita dapat membedakan dua opsi: polarisasi vertikal dan horizontal dan +45° - -45°. Jika Anda menjumlahkan garis horizontal dan vertikal dengan perbandingan yang sama, Anda mendapatkan +45°, jika Anda mengurangkan salah satu dari yang lain, maka -45°. Sekarang mari kita bayangkan dengan cara yang persis sama satu foton sampai ke saya, dan yang lainnya ke Anda. Saya melihat: itu vertikal. Jadi milikmu horizontal. Sekarang bayangkan saya melihat yang vertikal, dan Anda melihatnya secara diagonal, yaitu, jika Anda melihatnya - +45° atau -45°, Anda akan melihat dengan probabilitas yang sama satu atau hasil lainnya. Tetapi jika saya melihat basis diagonal dan melihat +45°, maka saya tahu pasti bahwa Anda memiliki -45°.

Paradoks Einstein-Podolsky-Rosen

Keterikatan kuantum dikaitkan dengan sifat dasar mekanika kuantum dan apa yang disebut paradoks Einstein-Podolsky-Rosen. Einstein sudah lama memprotes mekanika kuantum karena dia percaya bahwa alam tidak dapat mengirimkan informasi tentang suatu keadaan dengan kecepatan lebih cepat dari kecepatan cahaya. Kita dapat menyebarkan foton sangat jauh, misalnya satu tahun cahaya, dan membukanya pada saat yang bersamaan. Dan kita masih akan melihat korelasi ini.

Namun nyatanya hal ini tidak melanggar teori relativitas, karena kita masih belum bisa mengirimkan informasi menggunakan efek ini. Foton vertikal atau horizontal diukur. Namun belum diketahui sebelumnya apa sebenarnya yang akan terjadi. Meskipun tidak mungkin mengirimkan informasi lebih cepat dari kecepatan cahaya, keterjeratan memungkinkan penerapan protokol teleportasi kuantum. Apa itu? Sepasang foton yang terjerat telah lahir. Satu menuju pemancar, yang lain ke penerima. Pemancar melakukan pengukuran gabungan terhadap foton target yang harus ditransmisikan. Dan dengan kemungkinan ¼ dia akan mendapatkan hasilnya OK. Ia dapat mengomunikasikan hal ini kepada penerima, dan penerima pada saat itu mengetahui bahwa ia mempunyai kondisi yang persis sama dengan yang dialami pemancar. Dan dengan probabilitas ¾ dia mendapatkan hasil yang berbeda - bukan hanya pengukuran yang gagal, tetapi hanya hasil yang berbeda. Namun bagaimanapun juga, ini adalah informasi berguna yang dapat disampaikan kepada penerimanya. Dalam tiga dari empat kasus, penerima harus melakukan rotasi tambahan pada qubitnya untuk mendapatkan status transmisi. Artinya, 2 bit informasi ditransmisikan, dan dengan bantuannya Anda dapat menteleportasi keadaan kompleks yang tidak dapat dikodekan dengannya.

Kriptografi kuantum

Salah satu bidang utama penerapan teleportasi kuantum adalah apa yang disebut kriptografi kuantum. Ide di balik teknologi ini adalah bahwa satu foton tidak dapat dikloning. Oleh karena itu, kami dapat mengirimkan informasi dalam satu foton ini, dan tidak ada yang dapat menggandakannya. Terlebih lagi, setiap kali seseorang mencoba mencari tahu sesuatu tentang informasi ini, keadaan foton akan berubah atau musnah. Oleh karena itu, segala upaya untuk mendapatkan informasi ini oleh pihak luar akan diperhatikan. Ini dapat digunakan dalam kriptografi dan perlindungan informasi. Benar, yang dikirimkan bukanlah informasi berguna, tetapi sebuah kunci, yang kemudian secara klasik memungkinkan untuk mengirimkan informasi dengan benar-benar andal.

Teknologi ini memiliki satu kelemahan besar. Faktanya adalah, seperti yang kami katakan sebelumnya, tidak mungkin membuat salinan foton. Sinyal normal dalam serat optik dapat diperkuat. Untuk kasus kuantum, tidak mungkin untuk memperkuat sinyal, karena amplifikasi tersebut akan setara dengan semacam pencegat. Dalam kehidupan nyata, di jalur nyata, transmisi dibatasi pada jarak kurang lebih 100 kilometer. Pada tahun 2016, Pusat Kuantum Rusia melakukan demonstrasi di jalur Gazprombank, di mana mereka menunjukkan kriptografi kuantum pada serat sepanjang 30 kilometer di lingkungan perkotaan.

Di laboratorium, kami dapat mendemonstrasikan teleportasi kuantum pada jarak hingga 327 kilometer. Namun sayangnya, jarak jauh tidak praktis karena foton hilang dalam serat dan kecepatannya sangat rendah. Apa yang harus dilakukan? Anda dapat menginstal server perantara yang akan menerima informasi, mendekripsinya, kemudian mengenkripsinya lagi dan mengirimkannya lebih lanjut. Inilah yang dilakukan Tiongkok, misalnya, ketika membangun jaringan kriptografi kuantum mereka. Amerika menggunakan pendekatan yang sama.

Teleportasi kuantum dalam hal ini adalah metode baru yang memungkinkan Anda memecahkan masalah kriptografi kuantum dan meningkatkan jarak hingga ribuan kilometer. Dan dalam hal ini, foton yang sama yang ditransmisikan diteleportasi berkali-kali. Banyak kelompok di seluruh dunia sedang mengerjakan tugas ini.

Memori kuantum

Mari kita bayangkan sebuah rangkaian teleportasi. Masing-masing tautan mempunyai generator pasangan terjerat, yang harus membuat dan mendistribusikannya. Hal ini tidak selalu berhasil. Terkadang Anda perlu menunggu hingga upaya berikutnya untuk mendistribusikan pasangan berhasil. Dan qubit harus memiliki tempat di mana ia akan menunggu untuk berteleportasi. Ini adalah memori kuantum.

Dalam kriptografi kuantum, ini adalah semacam stasiun jalan. Stasiun semacam itu disebut repeater kuantum, dan sekarang menjadi salah satu area utama penelitian dan eksperimen. Ini adalah topik yang populer; pada awal tahun 2010-an, repeater masih merupakan hal yang sulit untuk dilakukan, namun kini hal tersebut tampaknya dapat dilakukan. Terutama karena teknologi terus berkembang, termasuk karena standar telekomunikasi.

Kemajuan percobaan di laboratorium

Jika Anda datang ke laboratorium komunikasi kuantum, Anda akan melihat banyak sekali barang elektronik dan serat optik. Semua optik standar, telekomunikasi, laser ada dalam kotak standar kecil - chip. Jika Anda pergi ke laboratorium Alexander Lvovsky, di mana, khususnya, mereka melakukan teleportasi, maka Anda akan melihat meja optik yang distabilkan pada penyangga pneumatik. Artinya, jika Anda menyentuh meja yang beratnya satu ton ini dengan jari Anda, meja itu akan mulai melayang dan bergoyang. Hal ini dilakukan karena teknologi yang mengimplementasikan protokol kuantum sangat sensitif. Jika Anda berdiri dengan kaki yang kokoh dan berjalan-jalan, maka itu semua disebabkan oleh getaran meja. Artinya, ini adalah optik terbuka, laser mahal yang cukup besar. Secara umum, ini adalah peralatan yang cukup besar.

Keadaan awal disiapkan dengan laser. Untuk menyiapkan keadaan terjerat, kristal nonlinier digunakan, yang dipompa oleh laser berdenyut atau kontinu. Karena efek nonlinier, lahirlah pasangan foton. Bayangkan kita memiliki foton berenergi dua - ℏ(2ω), diubah menjadi dua foton berenergi satu - ℏω+ ℏω. Foton-foton ini lahir hanya bersama-sama; mula-mula satu foton tidak dapat terpisah, kemudian foton lainnya. Dan mereka terhubung (terjerat) dan menunjukkan korelasi non-klasik.

Sejarah dan penelitian terkini

Jadi, dalam kasus teleportasi kuantum, terjadi efek yang tidak dapat kita amati dalam kehidupan sehari-hari. Tapi ada gambaran yang sangat indah dan fantastis, yang tepat untuk menggambarkan fenomena ini, itulah mengapa disebut demikian - teleportasi kuantum. Seperti yang telah disebutkan, tidak ada saat ketika qubit masih ada di sini, tetapi sudah muncul di sana. Artinya, pertama kali dihancurkan di sini, dan baru kemudian muncul di sana. Ini adalah teleportasi yang sama.

Teleportasi kuantum diusulkan secara teoritis pada tahun 1993 oleh sekelompok ilmuwan Amerika yang dipimpin oleh Charles Bennett - saat itulah istilah tersebut muncul. Implementasi eksperimental pertama dilakukan pada tahun 1997 oleh dua kelompok fisikawan di Innsbruck dan Roma. Secara bertahap, para ilmuwan mampu mentransmisikan keadaan dalam jarak yang semakin jauh – dari satu meter hingga ratusan kilometer atau lebih.

Sekarang orang-orang mencoba melakukan eksperimen yang mungkin menjadi dasar bagi repeater kuantum di masa depan. Diperkirakan dalam 5-10 tahun kita akan melihat repeater kuantum yang sebenarnya. Arah perpindahan keadaan antar objek yang sifatnya berbeda juga berkembang, termasuk pada Mei 2016, teleportasi kuantum hybrid dilakukan di Quantum Center, di laboratorium Alexander Lvovsky. Teorinya juga tidak tinggal diam. Di Pusat Kuantum yang sama, di bawah kepemimpinan Alexei Fedorov, protokol teleportasi sedang dikembangkan tidak dalam satu arah, tetapi dua arah, sehingga dengan bantuan satu pasangan, negara-negara dapat diteleportasi secara bersamaan ke arah satu sama lain.

Pekerjaan kami pada kriptografi kuantum menciptakan distribusi kuantum dan perangkat kunci, artinya kami menghasilkan kunci yang tidak dapat disadap. Dan kemudian pengguna dapat mengenkripsi informasi dengan kunci ini, menggunakan apa yang disebut one-time pad. Keunggulan baru teknologi kuantum akan terungkap dalam dekade berikutnya. Penciptaan sensor kuantum sedang berkembang. Esensinya adalah karena efek kuantum kita dapat mengukur, misalnya, medan magnet dan suhu dengan lebih akurat. Artinya, yang disebut pusat NV pada berlian diambil - ini adalah berlian kecil, mereka memiliki cacat nitrogen yang berperilaku seperti objek kuantum. Mereka sangat mirip dengan atom tunggal yang membeku. Melihat cacat ini, seseorang dapat mengamati perubahan suhu, bahkan di dalam satu sel. Artinya, ukur bukan hanya suhu di bawah lengan, tapi suhu organel di dalam sel.

Pusat Kuantum Rusia juga memiliki proyek spin dioda. Idenya adalah kita dapat menggunakan antena dan mulai mengumpulkan energi dari gelombang radio latar belakang dengan sangat efisien. Cukup dengan mengingat berapa banyak sumber Wi-Fi yang ada di kota-kota saat ini untuk memahami bahwa ada banyak energi gelombang radio di sekitarnya. Dapat digunakan untuk sensor yang dapat dipakai (misalnya, sensor gula darah). Mereka memerlukan pasokan energi yang konstan: baik baterai atau sistem yang mengumpulkan energi, termasuk dari ponsel. Artinya, di satu sisi, permasalahan tersebut dapat diselesaikan dengan basis elemen yang ada dengan kualitas tertentu, dan di sisi lain, teknologi kuantum dapat diterapkan dan masalah ini dapat diselesaikan dengan lebih baik, bahkan lebih mini.

Mekanika kuantum telah banyak mengubah kehidupan manusia. Semikonduktor, bom atom, energi nuklir - semua ini adalah benda yang bekerja berkatnya. Seluruh dunia kini berjuang untuk mulai mengendalikan sifat kuantum partikel tunggal, termasuk partikel yang terjerat. Misalnya, teleportasi melibatkan tiga partikel: satu pasang dan satu target. Namun masing-masing dikelola secara terpisah. Kontrol individu atas partikel elementer membuka cakrawala baru bagi teknologi, termasuk komputer kuantum.

Yuri Kurochkin, Kandidat Ilmu Fisika dan Matematika, Kepala Laboratorium Komunikasi Kuantum Pusat Kuantum Rusia.

Tag:

Tambahkan tanda

RuNet belum pernah mengalami rasa haus akan pengetahuan dalam mekanika kuantum seperti setelah publikasi artikel di surat kabar Kommersant yang menyebutkan rencana untuk memperkenalkan "teleportasi" di Rusia. Namun program Badan Inisiatif Strategis (ASI) untuk pengembangan teknologi Rusia tidak terbatas pada “teleportasi”, tetapi istilah inilah yang menarik perhatian jejaring sosial dan media dan menjadi alasan untuk banyak lelucon.

Kemudian partikel-partikel yang terjerat tersebut dibawa ke jarak yang diperlukan - sehingga foton A dan B tetap berada di satu tempat, dan foton C di tempat lain.Kabel serat optik dipasang di antara dua titik tersebut. Perhatikan bahwa jarak maksimum teleportasi kuantum dilakukan sudah lebih dari 100 km.

Tujuannya adalah untuk mentransfer keadaan kuantum dari partikel A yang tidak terikat ke partikel C. Untuk melakukan ini, para ilmuwan mengukur sifat kuantum foton A dan B. Hasil pengukuran kemudian diubah menjadi kode biner yang memberitahukan perbedaan antara partikel A dan B. .

Kode ini kemudian ditransmisikan melalui saluran komunikasi tradisional - serat optik, dan penerima pesan di ujung kabel yang lain, yang memiliki partikel C, menggunakan informasi ini sebagai instruksi atau kunci untuk memanipulasi partikel C - in intinya, memulihkan keadaan yang dimiliki partikel C dengan bantuan partikel C. partikel A. Akibatnya, partikel C menyalin keadaan kuantum partikel A - informasinya diteleportasi.

Mengapa semua ini diperlukan?

Pertama-tama, teleportasi kuantum direncanakan untuk digunakan dalam komunikasi kuantum dan teknologi kriptografi kuantum - keamanan jenis komunikasi ini terlihat menarik bagi bisnis dan negara, dan penggunaan teleportasi kuantum memungkinkan kita menghindari hilangnya informasi ketika foton bergerak sepanjang serat optik.

Misalnya, baru-baru ini diketahui keberhasilan transfer informasi kuantum antara dua kantor Gazprombank di Moskow melalui serat optik sepanjang 30,6 kilometer. Proyek yang dikerjakan oleh Pusat Kuantum Rusia (RCC), dan di mana Gazprombank serta Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia menginvestasikan 450 juta rubel, ternyata merupakan jalur komunikasi kuantum “perkotaan” pertama di Rusia.

Arah lainnya adalah komputer kuantum, di mana partikel terjerat dapat digunakan sebagai qubit - unit informasi kuantum.

Ide lainnya adalah “internet kuantum”: seluruh jaringan komunikasi hanya didasarkan pada komunikasi kuantum. Namun, untuk menerapkan konsep ini, para peneliti perlu “belajar mentransfer keadaan kuantum antara objek dengan sifat fisik yang berbeda – foton, atom, titik kuantum, sirkuit superkonduktor, dan sebagainya,” kata Alexander Lvovsky, karyawan RCC dan profesor di Universitas Calgary. dalam percakapan dengan N+1 .

Perhatikan bahwa saat ini para ilmuwan terutama melakukan teleportasi keadaan foton dan atom; Teleportasi objek yang lebih besar belum dapat dilakukan.

Teleportasi kuantum sebagai teleportasi yang “sama”.

Rupanya, secara hipotetis, teleportasi kuantum masih dapat digunakan untuk membuat salinan objek besar, termasuk manusia - lagi pula, tubuh juga terdiri dari atom, yang keadaan kuantumnya dapat diteleportasi. Namun, pada tahap perkembangan teknologi saat ini, hal tersebut dianggap mustahil dan diturunkan ke ranah fiksi ilmiah.

“Kita terbuat dari oksigen, hidrogen, dan karbon, dengan sedikit tambahan unsur kimia lainnya. Jika kita mengumpulkan jumlah atom yang diperlukan dari unsur-unsur yang diperlukan, dan kemudian, dengan menggunakan teleportasi, bawa mereka ke keadaan yang identik dengan keadaannya di tubuh orang yang diteleportasi, kita akan mendapatkan orang yang sama. Ia secara fisik tidak dapat dibedakan dari aslinya kecuali posisinya di ruang angkasa (bagaimanapun juga, partikel kuantum yang identik tidak dapat dibedakan). Saya, tentu saja, melebih-lebihkan hingga ekstrem - seluruh keabadian memisahkan kita dari teleportasi manusia. Namun, inti masalahnya justru ini: partikel kuantum yang identik ditemukan di mana-mana, namun membawanya ke keadaan kuantum yang diinginkan sama sekali tidak mudah,” kata Alexander Lvovsky dalam percakapan dengan N+1.