Teleportacijos galimybė yra viena iš labiausiai diskutuojamų paranormalių ir paramokslinių klausimų. Be to, jis pagrįstas ir fantastiškomis mistinėmis idėjomis, ir tam tikrais mokslo pasiekimais. Tačiau įvairūs pranešimai, kad teleportacija Tai bus tik nesąžiningas informacijos apie kvantinę teleportaciją naudojimas. Kvantinė teleportacija yra tikras fizinis reiškinys, tačiau tik netiesiogiai su teleportacija susijusi iš mistikos teorijų ir mokslinės fantastikos kūrinių.

Negalėjau išsiversti be Einšteino

Teleportacijos praktika apima materijos perkėlimą iš vieno erdvės taško į kitą be nuolatinės judėjimo trajektorijos. Tai yra, neįmanoma atsekti nenutrūkstamos medžiagos, esančios tam tikrame taške, sekos kiekvienu paskesniu laiko momentu. Taigi materija kuriam laikui išnyksta, o paskui atsiranda visai kitoje vietoje. Žinoma, kvantinės teleportacijos atveju nieko panašaus neįvyksta. Jis siejamas su ypatingomis kvantų savybėmis ir pirmą kartą teoriniu lygmeniu buvo suformuluotas praėjusio amžiaus trečiajame dešimtmetyje garsaus Alberto Einšteino.

Jis pasiūlė, kad tarp dviejų dalelių galėtų būti vadinamųjų susipynusių kvantų ryšio kanalas, per kurį galimas savybių perkėlimas iš vienos elementariosios dalelės į kitą. Fiziškai elementarios dalelės nesiliečia viena su kita, tai yra, nesiliečia. Vienos dalelės savybė siunčiama per kvantą, o išvykimo taške ši savybė sunaikinama ir išnyksta, iš siunčiančios dalelės ši savybė atimama. Savo ruožtu ši savybė atsiranda ant kitos dalelės, „pernešama“ per susipynusius kvantus. Nei energija, nei pati materija „nešokinėja“ tarp dalelių, o savybių perdavimo greitis neviršija šviesos greičio vakuume. Taigi, jokie fiziniai dėsniai nepažeidžiami ir negalime kalbėti apie tikrą teleportaciją. Būdinga, kad Einšteinas netikėjo net šio savo teorinio modelio praktiniu įgyvendinamumu, kvantinę teleportaciją laikydamas pačios kvantinės teorijos nenuoseklumo pasekmė.

Įgyvendinimas praktikoje

Kvantinė teleportacija, dar žinoma kaip EPR efektas (pavadintas teorinių darbų šia tema bendraautorių pavardėmis – Einšteinas, Podolskis, Rosenas), beveik pusę amžiaus buvo laikoma grynai spekuliatyvia. Tačiau 1980 m. šio efekto egzistavimas buvo patvirtintas eksperimentiškai. Buvo atlikta vadinamoji fotonų teleportacija, tai yra savybių perkėlimas iš vieno fotono į kitą. Iš pradžių mokslininkai negalėjo rasti šio reiškinio paaiškinimo, kuris prieštarauja fizikos dėsniams. Tačiau tada jie prisiminė Einšteino ir jo kolegų suformuluotą kvantinės teleportacijos principą – ir viskas stojo į savo vietas.

Be to, kvantinės teleportacijos ypatumas buvo galimybė perduoti savybes tarp elementariųjų dalelių dideliais atstumais. Tačiau tuo pat metu iškilo įvairių sunkumų. Taip greitai tapo aišku, kad kvantinė teleportacija turi apribojimų, būdingų bet kuriam ryšio kanalui – informacijos perdavimo greitis negali viršyti maksimalaus greičio, galimo šiam konkrečiam kanalui. Geriausiu atveju jis priartės prie šviesos greičio vakuume. Be to, kvantinė teleportacija neturėjo nieko bendra su „klasikine“ teleportacija, pažįstama iš mokslinės fantastikos romanų. Toks energijos ir materijos perkėlimas iš vieno taško į kitą vis dar neįmanomas. Taigi entuziastai, norintys pasiekti žmonių teleportaciją, turės palaukti. Labai gali būti, kad teks laukti neribotą laiką: net ir atradus materijos teleportavimo būdą, sunku įsivaizduoti galimybę teleportuoti protingas būtybes ir naujoje vietoje atkurti visavertį sąmonės mechanizmą.

Eksperimentai skatina mokslą

Kvantinė teleportacija sulaukė didelio spaudos dėmesio dėl naujausių Japonijos mokslininkų pasiekimų šia kryptimi. Įvairių eksperimentų metu jie pasiekė įspūdingų rezultatų. Pirmuoju atveju eksperimentas pasirodė labai įspūdingas: mokslininkai sugebėjo „teleportuoti“ šviesos kvantą. Iš esmės tai yra fotono teleportacija - šviesa buvo „suskaidyta“ į atskiras fotonų daleles ir, naudojant susipynusių kvantų ryšio kanalą, buvo perkelta į kitą erdvės tašką, kur vėl buvo surinkta į šviesos spindulį. Antruoju atveju pirmoji kvantinė teleportacija buvo pasiekta ne tarp dviejų, o tarp trijų fotonų. Praktinių mokslinių technologijų požiūriu tai tikras proveržis, atveriantis realias kvantinių kompiuterių kūrimo perspektyvas. Šie kompiuteriai bus daug našesni tiek duomenų apdorojimo greičiu, tiek bendra apimtimi.

Tačiau japonų eksperimentai su kvantine teleportacija – anaiptol ne vieninteliai, darbas šia kryptimi vyksta jau kelis dešimtmečius, tačiau ypač aktyvus pastaraisiais metais. Taigi 2004 metais buvo atlikti sėkmingi kvantinės teleportacijos eksperimentai ne tarp fotonų, o tarp atomų – ​​pirmuoju atveju kalcio atomo jonai keitėsi savybėmis, antruoju – berilio atomo jonais. 2006 m. buvo atlikta kvantinė teleportacija tarp dviejų skirtingos prigimties objektų – tarp cezio atomų, viena vertus, ir lazerio spinduliuotės kvantų. Nuo 2010 iki 2012 metų mokslininkai nuolat siekė įspūdingų kvantinės teleportacijos atstumo rekordų: iš pradžių Kinijoje savybės tarp fotonų buvo perkeltos per 16 kilometrų, vėliau Vidurio Karalystėje pasiekimas padidintas iki 97 kilometrų, o vėliau Austrijoje mokslininkai pasiekė teleportaciją. 143 kilometrai.

Aleksandras Babitskis

Grupė mokslininkų iš Kinijos mokslų akademijos atliko palydovinį eksperimentą, skirtą kvantinių būsenų perkėlimui tarp įsipainiojusių fotonų porų (vadinamoji kvantinė teleportacija) rekordiniu daugiau nei 1200 km atstumu.

Reiškinys (arba susipynimas) atsiranda, kai dviejų ar daugiau dalelių būsenos yra tarpusavyje priklausomos (koreliuojamos), kurios gali būti atskirtos savavališkai dideliais atstumais, tačiau tuo pat metu jos ir toliau „jaučia“ viena kitą. Išmatuojant vienos dalelės parametrą, akimirksniu sunaikinama kitos dalelės įsipainiojusi būsena, kurią sunku įsivaizduoti nesuvokus kvantinės mechanikos principų, juolab kad dalelės (tai buvo specialiai parodyta eksperimentuose dėl vadinamųjų Bell nelygybių pažeidimo) neturi paslėptų parametrų, kuriuose būtų saugoma informacija apie „kompaniono“ būseną, ir tuo pačiu momentinis būsenos pasikeitimas nesukelia pažeidimo. priežastingumo principo ir neleidžia tokiu būdu perduoti naudingos informacijos.

Norint perduoti realią informaciją, papildomai reikia įtraukti daleles, judančias ne didesniu kaip šviesos greičio greičiu. Įsipainiojusios dalelės gali būti, pavyzdžiui, fotonai, turintys bendrą pirmtaką, o priklausomas parametras yra, tarkime, jų sukimasis.

Ne tik mokslininkai, užsiimantys fundamentalia fizika, bet ir saugius ryšius kuriantys inžinieriai rodo susidomėjimą įsipainiojusių dalelių būsenų perdavimu vis didesniais atstumais ir ekstremaliausiomis sąlygomis. Manoma, kad dalelių susipynimo reiškinys ateityje suteiks mums iš esmės neįveikiamus ryšio kanalus. „Apsauga“ šiuo atveju bus neišvengiamas pokalbio dalyvių pranešimas, kad į jų bendravimą įsikišo trečioji šalis.

To įrodymas bus nepažeidžiami fizikos dėsniai – negrįžtamas bangų funkcijos žlugimas.

Įrenginių, skirtų tokiam saugiam kvantiniam ryšiui įgyvendinti, prototipai jau sukurti, tačiau taip pat atsiranda idėjų, kaip sukompromituoti visų šių „visiškai saugių kanalų“ veikimą, pavyzdžiui, naudojant grįžtamuosius silpnus kvantinius matavimus, todėl vis dar neaišku, ar kvantinė kriptografija bus pritaikyta. galės išeiti iš prototipo testavimo etapo, neįvertinus, ar visi patobulinimai bus iš anksto pasmerkti ir netinkami praktiniam naudojimui.

Kitas dalykas: įsipainiojusių būsenų perdavimas iki šiol buvo vykdomas tik ne didesniais kaip 100 km atstumais dėl fotonų praradimo optinėje skaiduloje arba ore, nes tikimybė, kad bent dalis fotonų pasieks detektorius tampa nykstantis mažas. Kartkartėmis pasirodo pranešimai apie kitą laimėjimą šiame kelyje, tačiau tokiu ryšiu dar neįmanoma aprėpti viso Žemės rutulio.

Taigi anksčiau šį mėnesį Kanados fizikai paskelbė apie sėkmingus bandymus saugiu kvantiniu kanalu susisiekti su orlaiviu, tačiau jis buvo tik 3–10 km atstumu nuo siųstuvo.

Vadinamasis kvantinio kartotuvo protokolas yra pripažintas vienu iš būdų radikaliai pagerinti signalo sklidimą, tačiau jo praktinė vertė išlieka abejotina, nes reikia išspręsti daugybę sudėtingų techninių klausimų.

Kitas būdas yra būtent palydovinės technologijos naudojimas, nes palydovas gali likti matymo linijoje į skirtingas labai tolimas Žemės vietas tuo pačiu metu. Pagrindinis šio metodo privalumas būtų tas, kad didžioji dalis fotonų kelio būtų virtualiame vakuume, su beveik nuline absorbcija ir jokios dekoherencijos.

Siekdami parodyti palydovinių eksperimentų pagrįstumą, Kinijos ekspertai atliko preliminarius žemės bandymus, kurie parodė sėkmingą įsipainiojusių fotonų porų dvikryptį sklidimą per atvirą terpę 600 m, 13 ir 102 km atstumu, kai efektyvus kanalo praradimas buvo 80 dB. Taip pat buvo atlikti kvantinių būsenų perdavimo judančiose platformose eksperimentai didelių nuostolių ir turbulencijos sąlygomis.

Atlikus išsamias galimybių studijas, kuriose dalyvavo Austrijos mokslininkai, 100 mln. .

Palydovas buvo pavadintas „Mo Tzu“ senovės kinų filosofo, gyvenusio V amžiuje prieš Kristų, Moizmo (visuotinės meilės ir valstybinio konsekvencializmo doktrinos) įkūrėjo garbei. Kinijoje kelis šimtmečius mohizmas sėkmingai konkuravo su konfucianizmu, kol pastarasis buvo priimtas kaip valstybinė ideologija.

Mozi misiją palaiko trys antžeminės stotys: Delinghe (Činghajaus provincija), Nanshan Urumqi (Sindziangas) ir GaoMeiGu observatorija (GMG) Lijiang (Junanio provincija). Atstumas tarp Delingės ir Lidžiano yra 1203 km. Atstumas tarp orbitoje skriejančio palydovo ir šių antžeminių stočių svyruoja nuo 500 iki 2000 km.

Kadangi įsipainiojusių fotonų negalima tiesiog „pastiprinti“ kaip klasikinių signalų, reikėjo sukurti naujus metodus, kurie sumažintų perdavimo ryšių tarp Žemės ir palydovų susilpnėjimą. Norint pasiekti reikiamą komunikacijos efektyvumą, vienu metu reikėjo pasiekti minimalų spindulių divergenciją ir greitą bei labai tikslų detektorių nukreipimą.

Sukūrusi itin šviesų kosminį dviejų fotonų įsipainiojimo šaltinį ir didelio tikslumo APT (acquiring, pointing and tracking) technologiją, komanda nustatė „kvantinį ryšį“ tarp fotonų porų, atskirtų 1203 km atstumu, mokslininkai atliko vadinamąjį. Varpelio testas, skirtas patikrinti vietovės pažeidimus (gebėjimą akimirksniu paveikti nutolusių dalelių būseną) ir gautas rezultatas su statistine keturių sigmų (standartinių nuokrypių) reikšmingumu.

Fotonų šaltinio palydove diagrama. KTiOPO4 (PPKTP) kristalo storis yra 15 mm. Pora ne ašies įgaubtų veidrodžių fokusuoja siurblio lazerį (PL) į PPKTP kristalo centrą. Sagnac interferometro išvestis naudoja du dichromatinius veidrodžius (DM) ir filtrus, kad atskirtų signalo fotonus nuo siurblio lazerio. Du papildomi veidrodžiai (PI), nuotoliniu būdu valdomi nuo žemės, naudojami tiksliai reguliuoti spindulio kryptį, kad būtų užtikrintas optimalus spindulių surinkimo efektyvumas. QWP - ketvirčio bangos fazės sekcija; HWP - pusės bangos fazės sekcija; PBS – poliarizacinio pluošto skirstytuvas.

Palyginti su ankstesniais metodais, naudojant įprasčiausias komercines telekomunikacijų skaidulas, palydovinio ryšio efektyvumas buvo daug kartų didesnis, o tai, anot tyrimo autorių, atveria kelią į praktinius pritaikymus, kurių anksčiau Žemėje nebuvo.

A. ŠIŠLOVA. Remiantis žurnalų „Gamta“ ir „Mokslo žinios“ medžiaga.

Atliekant subtilius fizinius eksperimentus, atrodo, buvo įmanoma padaryti tai, ką drąsiausi mokslinės fantastikos rašytojai laikė tik nerealia fantazija: tyrinėjant vieną iš kadaise surištų dalelių, galima akimirksniu (viršliumininiu greičiu!) iš bet kokio atstumo gauti informacijos. apie kitos dalelės būseną.

Mokslinės fantastikos filmų ir romanų herojai jau seniai įvaldė teleportaciją – patogų būdą akimirksniu judėti laike ir erdvėje. Kalbant apie realų gyvenimą, tai ir toliau lieka tik svajonė.

Nepaisant to, dar 1935 metais Albertas Einšteinas kartu su kolegomis B. Podolskiu ir N. Rosenu pasiūlė eksperimentą su teleportacija, jei ne materija, tai informacija. Šis superluminalinio bendravimo būdas vadinamas EPR paradoksu.

Paradokso esmė tokia. Yra dvi dalelės, kurios tam tikrą laiką sąveikauja ir sudaro vieną sistemą. Kvantinės mechanikos požiūriu šią susietą sistemą galima apibūdinti tam tikra bangine funkcija. Kai sąveika nutrūks ir dalelės nuskrenda labai toli, jos vis tiek bus apibūdinamos ta pačia funkcija. Tačiau kiekvienos atskiros dalelės būsena iš esmės nežinoma: tai išplaukia iš neapibrėžtumo santykio. Ir tik vienam iš jų pataikius į imtuvą, fiksuojantį jo parametrus, atsiranda kitos (jos atsiranda, o ne tampa žinomos!) atitinkamos charakteristikos. Tai yra, galimas momentinis dalelės kvantinės būsenos „perkėlimas“ neribotu atstumu. Pačios dalelės teleportacija ir masės pernešimas nevyksta.

Į dvi dalis lūžtantis sviedinys elgiasi panašiai: jei prieš sprogimą buvo nejudantis, bendras jo skeveldrų impulsas lygus nuliui. „Pagavę“ vieną fragmentą ir išmatavę jo pagreitį, galite akimirksniu nustatyti antrojo fragmento impulso dydį, nesvarbu, kiek jis skristų.

Šiandien mažiausiai dvi mokslinės grupės – austrų mokslininkai iš Insbruko universiteto ir italų mokslininkai iš La Sapienza universiteto Romoje – tvirtina, kad jiems pavyko laboratorinėmis sąlygomis teleportuoti fotono charakteristikas.

Eksperimentai Insbruke perdavė „žinutes“ poliarizuotų ultravioletinės spinduliuotės fotonų pavidalu. Šis fotonas optiniame maišytuve sąveikavo su vienu iš poros susietų fotonų. Tarp jų, savo ruožtu, atsirado kvantinis mechaninis ryšys, dėl kurio atsirado naujos poros poliarizacija. Taip eksperimentuotojai pasiekė labai įdomų rezultatą: išmoko surišti fotonus, kurie neturi bendros kilmės. Tai atveria galimybę atlikti visą klasę iš esmės naujų eksperimentų.

Dėl matavimo antrasis pradinės susietos poros fotonas taip pat įgijo tam tikrą fiksuotą poliarizaciją: pradinės fotono pasiuntinio būsenos kopija buvo perduota į tolimą fotoną. Sunkiausias iššūkis buvo įrodyti, kad kvantinė būsena iš tikrųjų buvo teleportuota: tam reikėjo tiksliai žinoti, kaip detektoriai buvo išdėstyti, kad būtų galima išmatuoti bendrą poliarizaciją, ir reikalauti kruopščiai juos sinchronizuoti.

Užuot naudoję atskirą „pasiuntinio fotoną“, italų mokslininkai pasiūlė vienu metu atsižvelgti į dvi kiekvienos surištos dalelės charakteristikas: poliarizaciją ir judėjimo kryptį. Tai leidžia teoriškai jas apibūdinti kaip atskiras daleles ir tuo pačiu, atliekant matavimus tik su pirmąja dalele, gauti antrosios charakteristikas jos neliečiant – atlikti teleportaciją.

Pasiekę fotonų teleportacijos sėkmę, eksperimentatoriai jau planuoja dirbti su kitomis dalelėmis – elektronais, atomais ir net jonais. Tai leis kvantinę būseną perkelti iš trumpaamžės dalelės į stabilesnę. Tokiu būdu bus galima sukurti saugojimo įrenginius, kuriuose fotonų atnešama informacija būtų kaupiama ant jonų, izoliuotų nuo aplinkos.

Sukūrus patikimus kvantinės teleportacijos metodus, atsiras realios prielaidos kurti kvantines skaičiavimo sistemas (žr. „Mokslas ir gyvenimas“ Nr. 6, 1996). Teleportacija užtikrins patikimą informacijos perdavimą ir saugojimą galingų trukdžių fone, kai visi kiti metodai yra neveiksmingi, ir gali būti naudojama ryšiui tarp kelių kvantinių kompiuterių. Be to, patys mokslininkų sukurti metodai yra labai svarbūs būsimiems kvantinės mechanikos eksperimentams, išbandant ir tobulinant daugybę šiuolaikinių fizinių teorijų.

Kvantinė teleportacija- tai ne fizinių objektų, ne energijos, o būsenų teleportacija. Tačiau šiuo atveju būsenos perduodamos tokiu būdu, kurio neįmanoma padaryti klasikiniu vaizdu. Paprastai norint perduoti informaciją apie objektą, reikia atlikti daug išsamių matavimų. Bet jie sunaikina kvantinę būseną, ir mes neturime galimybės jos išmatuoti dar kartą. Kvantinė teleportacija naudojama perduoti ir perduoti tam tikrą būseną, turint minimalią informaciją apie ją, į ją „nežiūrint“, nematuojant ir tuo netrikdant.

Qubits

Kubitas yra būsena, kuri perduodama kvantinės teleportacijos metu. Kvantinis bitas yra dviejų būsenų superpozicijoje. Pavyzdžiui, klasikinė būsena yra 0 arba 1 būsenoje. Kvantinė būsena yra superpozicijoje ir, kas labai svarbu, kol jos neišmatuosime, ji nebus apibrėžta. Įsivaizduokime, kad turėjome kubitą, kuris buvo 30% – 0 ir 70% – 1. Jei išmatuosime, galime gauti ir 0, ir 1. Vienu matavimu nieko nepasakysi. Bet jei paruoštume 100, 1000 tokių identiškų būsenų ir jas vėl ir vėl išmatuotume, galėtume gana tiksliai apibūdinti šią būseną ir suprasti, kad tikrai buvo 30% - 0 ir 70% - 1.

Tai informacijos gavimo klasikiniu būdu pavyzdys. Gavėjas, gavęs didelį duomenų kiekį, gali atkurti šią būseną. Tačiau kvantinė mechanika leidžia neparengti daugelio būsenų. Įsivaizduokime, kad turime tik vieną, unikalų, o kito nėra. Tada jau nebebus galima to perteikti klasika. Fiziškai, tiesiogiai tai taip pat ne visada įmanoma. O kvantinėje mechanikoje galime panaudoti įsipainiojimo efektą.

Mes taip pat naudojame kvantinio nelokalumo fenomeną, tai yra reiškinį, kuris neįmanomas mums įpratusiame pasaulyje, kad ši būsena išnyktų čia ir atsirastų ten. Be to, įdomiausia tai, kad tų pačių kvantinių objektų atžvilgiu egzistuoja teorema apie neklonavimą. Tai yra, neįmanoma sukurti antros identiškos būsenos. Vieną reikia sunaikinti, kad atsirastų kitas.

Kvantinis susipynimas

Kas yra įsipainiojimo efektas? Tai dvi ypatingu būdu paruoštos būsenos, du kvantiniai objektai – kubitai. Paprastumo dėlei galime paimti fotonus. Jei šie fotonai bus atskirti dideliu atstumu, jie koreliuos vienas su kitu. Ką tai reiškia? Įsivaizduokime, kad turime vieną fotoną mėlyną, o kitą – žalią. Jei mes juos išardėme, pažiūrėjome ir aš radau mėlyną, tai tavo pasirodė žalia, ir atvirkščiai. Arba jei paimi dėžutę batų, kurioje yra dešinysis ir kairysis batas, tyliai juos išimk ir maiše vieną batą pasiimk tau, o kitą man. Taigi atidariau maišelį, žiūriu: turiu tinkamą. Taigi, jūs tikrai turite kairįjį.

Kvantinis atvejis skiriasi tuo, kad būsena, kuri man atėjo prieš matavimą, nėra nei mėlyna, nei žalia – tai mėlynos ir žalios spalvos superpozicija. Atskyrę batus, rezultatas jau yra iš anksto nustatytas. Kol neša maišus, jie dar neatplėšti, bet jau aišku, kas ten bus. Kol kvantiniai objektai nėra išmatuoti, dar niekas nenuspręsta.

Jei imsime ne spalvą, o poliarizaciją, tai yra elektrinio lauko virpesių kryptį, galime išskirti du variantus: vertikalią ir horizontalią poliarizaciją ir +45° - -45°. Sudėjus horizontalią ir vertikalią lygiomis proporcijomis, gaunama +45°, atėmus vieną iš kito, tada -45°. Dabar įsivaizduokime, kad lygiai taip pat vienas fotonas pateko pas mane, o kitas pas tave. Pažiūrėjau: vertikaliai. Taigi jūsiškis yra horizontalus. Dabar įsivaizduokime, kad aš pamačiau vertikalų, o jūs žiūrėjote į jį įstrižai, tai yra, jei pažiūrėjote į jį - tai +45° arba -45°, su vienoda tikimybe pamatysite vieną ar kitą rezultatą. Bet jei pažiūrėjau į įstrižainę ir pamačiau +45°, tai tikrai žinau, kad pas jus -45°.

Einšteino-Podolskio-Roseno paradoksas

Kvantinis susipynimas yra susijęs su pagrindinėmis kvantinės mechanikos savybėmis ir vadinamuoju Einšteino-Podolskio-Roseno paradoksu. Einšteinas taip ilgai protestavo prieš kvantinę mechaniką, nes manė, kad gamta negali perduoti informacijos apie būseną didesniu nei šviesos greičiu. Galime labai toli paskleisti fotonus, pavyzdžiui, per šviesmečius, ir tuo pačiu metu juos atidaryti. Ir mes vis tiek matysime šią koreliaciją.

Tačiau iš tikrųjų tai nepažeidžia reliatyvumo teorijos, nes vis tiek negalime perduoti informacijos naudodami šį efektą. Matuojamas vertikalus arba horizontalus fotonas. Tačiau iš anksto nežinoma, kas tiksliai tai bus. Nepaisant to, kad neįmanoma perduoti informacijos greičiau nei šviesos greitis, įsipainiojimas leidžia įgyvendinti kvantinės teleportacijos protokolą. Kas tai? Gimsta įsipainiojusi fotonų pora. Vienas eina į siųstuvą, kitas - į imtuvą. Siųstuvas atlieka bendrą tikslinio fotono, kurį jis turi perduoti, matavimą. Ir su ¼ tikimybės, kad rezultatas bus geras. Jis gali tai pranešti imtuvui, o imtuvas tuo metu žino, kad jo būklė lygiai tokia pati kaip ir siųstuvas. Ir su ¾ tikimybe jis gauna kitokį rezultatą - ne tik nesėkmingą matavimą, bet tiesiog kitokį rezultatą. Bet bet kuriuo atveju tai yra naudinga informacija, kurią galima perteikti gavėjui. Trimis iš keturių atvejų gavėjas turi atlikti papildomą savo kubito pasukimą, kad gautų perduodamą būseną. Tai yra, perduodami 2 informacijos bitai, o jų pagalba galite teleportuoti sudėtingą būseną, kurios negalima užkoduoti.

Kvantinė kriptografija

Viena iš pagrindinių kvantinės teleportacijos taikymo sričių yra vadinamoji kvantinė kriptografija. Šios technologijos idėja yra ta, kad vieno fotono negalima klonuoti. Todėl mes galime perduoti informaciją šiame vieninteliame fotone, ir niekas negali jos kopijuoti. Be to, jei kas nors bandys ką nors sužinoti apie šią informaciją, fotono būsena pasikeis arba bus sunaikinta. Atitinkamai, bet koks pašalinių asmenų bandymas gauti šią informaciją bus pastebėtas. Tai gali būti naudojama kriptografijoje ir informacijos apsaugai. Tiesa, perduodama ne naudinga informacija, o raktas, kuris vėliau klasikiniu būdu leidžia perduoti informaciją absoliučiai patikimai.

Ši technologija turi vieną didelį trūkumą. Faktas yra tas, kad, kaip minėjome anksčiau, fotono kopijos sukurti neįmanoma. Įprastas optinio pluošto signalas gali būti sustiprintas. Kvantiniu atveju signalo sustiprinti neįmanoma, nes stiprinimas bus lygiavertis tam tikram gaudytojui. Realiame gyvenime tikromis linijomis perdavimas ribojamas maždaug 100 kilometrų atstumu. 2016 m. Rusijos kvantinis centras surengė demonstraciją Gazprombank linijose, kur miesto aplinkoje buvo parodyta kvantinė kriptografija 30 kilometrų šviesolaidžio.

Laboratorijoje galime pademonstruoti kvantinę teleportaciją iki 327 kilometrų atstumu. Bet, deja, dideli atstumai yra nepraktiški, nes pluošte prarandami fotonai, o greitis yra labai mažas. Ką daryti? Galite įdiegti tarpinį serverį, kuris priims informaciją, ją iššifruos, tada vėl užšifruos ir perduos toliau. Taip elgiasi kinai, pavyzdžiui, kurdami savo kvantinės kriptografijos tinklą. Amerikiečiai naudoja tą patį metodą.

Kvantinė teleportacija šiuo atveju yra naujas metodas, leidžiantis išspręsti kvantinės kriptografijos problemą ir padidinti atstumą iki tūkstančių kilometrų. Ir šiuo atveju tas pats fotonas, kuris perduodamas, teleportuojamas daug kartų. Daugelis grupių visame pasaulyje dirba su šia užduotimi.

Kvantinė atmintis

Įsivaizduokime teleportacijų grandinę. Kiekviena nuoroda turi susipynusių porų generatorių, kuris turi jas sukurti ir platinti. Tai ne visada pavyksta. Kartais reikia palaukti, kol sekantis bandymas paskirstyti poras bus sėkmingas. Ir kubitas turi turėti vietą, kur jis lauks teleportacijos. Tai kvantinė atmintis.

Kvantinėje kriptografijoje tai yra tam tikra tarpinė stotis. Tokios stotys vadinamos kvantiniais kartotuvais ir dabar jos yra viena pagrindinių tyrimų ir eksperimentavimo sričių. Tai populiari tema; 2010-ųjų pradžioje kartotuvai buvo labai tolima perspektyva, tačiau dabar užduotis atrodo įgyvendinama. Daugiausia dėl to, kad technologijos nuolat tobulėja, taip pat ir dėl telekomunikacijų standartų.

Eksperimento eiga laboratorijoje

Atėję į kvantinių ryšių laboratoriją pamatysite daug elektronikos ir šviesolaidžių. Visa optika standartinė, telekomunikacijos, lazeriai yra mažose standartinėse dėžutėse – lustuose. Jei einate į laboratoriją Aleksandras Lvovskis, kur, ypač, jie atlieka teleportaciją, pamatysite optinį stalą, kuris yra stabilizuotas ant pneumatinių atramų. Tai yra, jei pirštu paliesite šį toną sveriantį stalą, jis pradės plūduriuoti ir siūbuoti. Tai daroma, nes technologija, kuri įgyvendina kvantinius protokolus, yra labai jautri. Jei stovėsite ant kietų kojų ir vaikščiosite aplinkui, tai viskas bus dėl stalo vibracijų. Tai yra, tai yra atvira optika, gana dideli brangūs lazeriai. Apskritai tai gana didelė įranga.

Pradinė būsena paruošiama lazeriu. Susipynusioms būsenoms paruošti naudojamas netiesinis kristalas, kuris pumpuojamas impulsiniu arba nuolatiniu lazeriu. Dėl netiesinių efektų gimsta fotonų poros. Įsivaizduokime, kad turime dviejų energijos fotoną – ℏ(2ω), jis paverčiamas dviem energijos fotonais vienas – ℏω+ ℏω. Šie fotonai gimsta tik kartu; pirma negali atsiskirti vienas fotonas, paskui kitas. Ir jie yra susiję (susipainioti) ir demonstruoja neklasikines koreliacijas.

Istorija ir dabarties tyrimai

Taigi kvantinės teleportacijos atveju pastebimas efektas, kurio negalime pastebėti kasdieniame gyvenime. Tačiau buvo labai gražus, fantastiškas vaizdas, kuris kaip tik buvo tinkamas šiam reiškiniui apibūdinti, todėl jis ir buvo vadinamas kvantine teleportacija. Kaip jau minėta, nėra momento, kai kubitas vis dar egzistuoja čia, bet ten jis jau atsirado. Tai yra, ji pirmiausia sunaikinama čia, o tik tada pasirodo ten. Tai ta pati teleportacija.

Kvantinę teleportaciją teoriškai pasiūlė 1993 m. Amerikos mokslininkų grupė, vadovaujama Charleso Bennetto – tada ir atsirado terminas. Pirmąjį eksperimentinį įgyvendinimą 1997 m. atliko dvi fizikų grupės Insbruke ir Romoje. Pamažu mokslininkams pavyko perduoti būsenas vis didesniais atstumais – nuo ​​vieno metro iki šimtų kilometrų ar daugiau.

Dabar žmonės bando atlikti eksperimentus, kurie ateityje gali tapti kvantinių kartotuvų pagrindu. Tikimasi, kad po 5–10 metų išvysime tikrus kvantinius kartotuvus. Taip pat vystosi būsenos perdavimo tarp skirtingos prigimties objektų kryptis, įskaitant 2016 metų gegužę Kvantiniame centre, Aleksandro Lvovskio laboratorijoje, buvo atlikta hibridinė kvantinė teleportacija. Teorija taip pat nestovi vietoje. Tame pačiame kvantiniame centre, vadovaujant Aleksejui Fedorovui, kuriamas teleportacijos protokolas ne viena kryptimi, o dvikryptis, kad vienos poros pagalba būtų galima vienu metu teleportuotis viena link kitos būsenos.

Mūsų darbas su kvantine kriptografija sukuria kvantinį paskirstymą ir rakto įrenginį, o tai reiškia, kad sukuriame raktą, kurio negalima perimti. Tada vartotojas gali užšifruoti informaciją šiuo raktu, naudodamas vadinamąjį vienkartinį bloknotą. Nauji kvantinių technologijų pranašumai turėtų būti atskleisti per ateinantį dešimtmetį. Kvantinių jutiklių kūrimas vystosi. Jų esmė ta, kad dėl kvantinių efektų galime daug tiksliau išmatuoti, pavyzdžiui, magnetinį lauką ir temperatūrą. Tai yra, deimantuose paimami vadinamieji NV centrai - tai mažyčiai deimantai, jie turi azoto defektų, kurie elgiasi kaip kvantiniai objektai. Jie labai panašūs į užšaldytą vieną atomą. Žvelgiant į šį defektą, galima stebėti temperatūros pokyčius net vienos ląstelės viduje. Tai yra, matuokite ne tik temperatūrą po ranka, bet ir ląstelės viduje esančios organelės temperatūrą.

Rusijos kvantinis centras taip pat turi sukimosi diodų projektą. Idėja yra ta, kad galime paimti anteną ir pradėti labai efektyviai rinkti energiją iš foninių radijo bangų. Pakanka prisiminti, kiek Wi-Fi šaltinių dabar yra miestuose, kad suprastum, jog aplink yra daug radijo bangų energijos. Jis gali būti naudojamas nešiojamiems jutikliams (pavyzdžiui, cukraus kiekio kraujyje jutikliui). Jiems reikalingas nuolatinis energijos tiekimas: arba baterija, arba sistema, renkanti energiją, taip pat ir iš mobiliojo telefono. Tai yra, viena vertus, šias problemas galima išspręsti su esama elementų baze tam tikra kokybe, o iš kitos pusės gali būti pritaikytos kvantinės technologijos ir ši problema gali būti išspręsta dar geriau, dar labiau miniatiūrizuota.

Kvantinė mechanika labai pakeitė žmogaus gyvenimą. Puslaidininkiai, atominė bomba, branduolinė energija – visa tai jos dėka veikiantys objektai. Visas pasaulis dabar stengiasi pradėti kontroliuoti pavienių dalelių, įskaitant susipynusias, kvantines savybes. Pavyzdžiui, teleportacija apima tris daleles: vieną porą ir tikslinę. Bet kiekvienas iš jų valdomas atskirai. Individualus elementariųjų dalelių valdymas atveria naujus horizontus technologijoms, įskaitant kvantinį kompiuterį.

Jurijus Kuročkinas, fizinių ir matematikos mokslų kandidatas, Rusijos kvantinio centro Kvantinių komunikacijų laboratorijos vadovas.

Žymos:

Pridėti žymes

Niekada anksčiau RuNet nepatyrė tokio kvantinės mechanikos žinių troškulio, kaip po to, kai laikraštyje Kommersant buvo paskelbtas straipsnis apie planus įvesti „teleportaciją“ Rusijoje. Tačiau Rusijos technologinės plėtros Strateginių iniciatyvų agentūros (ASI) programa neapsiriboja „teleportacija“, o būtent šis terminas patraukė socialinių tinklų ir žiniasklaidos dėmesį ir tapo priežastimi daug juokelių.

Tada įsipainiojusios dalelės nunešamos iki reikiamo atstumo – kad vienoje vietoje liktų fotonai A ir B, kitoje – fotonai C. Tarp dviejų taškų nutiestas šviesolaidinis kabelis. Atkreipkite dėmesį, kad didžiausias atstumas, kuriuo buvo atlikta kvantinė teleportacija, jau yra daugiau nei 100 km.

Tikslas yra perkelti neįpainiotos dalelės A kvantinę būseną į dalelę C. Norėdami tai padaryti, mokslininkai išmatuoja fotonų A ir B kvantinę savybę. Tada matavimo rezultatai konvertuojami į dvejetainį kodą, nurodantį dalelių A ir B skirtumus. .

Tada šis kodas perduodamas tradiciniu ryšio kanalu – optiniu pluoštu, o kitame laido gale esantis pranešimo gavėjas, turintis C dalelę, naudoja šią informaciją kaip nurodymą arba raktą, kad galėtų manipuliuoti C dalele. esmė, atkuriant būseną, kurią C dalelė turėjo C dalelės pagalba. dalelė A. Dėl to dalelė C kopijuoja dalelės A kvantinę būseną – informacija teleportuojama.

Kam viso to reikia?

Visų pirma, kvantinę teleportaciją planuojama panaudoti kvantinės komunikacijos ir kvantinės kriptografijos technologijose – tokio ryšio saugumas atrodo patraukliai tiek verslui, tiek valstybei, o kvantinės teleportacijos panaudojimas leidžia išvengti informacijos praradimo, kai fotonai juda išilgai optinio pluošto.

Pavyzdžiui, neseniai tapo žinoma apie sėkmingą kvantinės informacijos perdavimą tarp dviejų „Gazprombank“ biurų Maskvoje per 30,6 km ilgio optinį pluoštą. Projektas, prie kurio dirbo Rusijos kvantinis centras (RCC) ir į kurį „Gazprombank“ bei Rusijos Federacijos švietimo ir mokslo ministerija investavo 450 milijonų rublių, iš tikrųjų pasirodė esąs pirmoji „miesto“ kvantinio ryšio linija Rusijoje.

Kita kryptis – kvantiniai kompiuteriai, kur susipynusios dalelės gali būti naudojamos kaip kubitai – kvantinės informacijos vienetai.

Kita idėja yra „kvantinis internetas“: visas ryšių tinklas, pagrįstas tik kvantiniu ryšiu. Tačiau norint įgyvendinti šią koncepciją, mokslininkai turi „išmokti perkelti kvantines būsenas tarp skirtingos fizinės prigimties objektų – fotonų, atomų, kvantinių taškų, superlaidžių grandinių ir pan.“, – pažymėjo RCC darbuotojas ir Kalgario universiteto profesorius Aleksandras Lvovskis. pokalbyje su N+1 .

Atkreipkite dėmesį, kad šiuo metu mokslininkai daugiausia teleportuoja fotonų ir atomų būsenas; Teleportuoti didesnių objektų dar nepavyko.

Kvantinė teleportacija kaip „ta pati“ teleportacija

Matyt, hipotetiškai kvantine teleportacija vis dar galima sukurti didelių objektų, tarp jų ir žmonių, kopijas – juk kūnas taip pat susideda iš atomų, kurių kvantines būsenas galima teleportuoti. Tačiau dabartiniame technologijų vystymosi etape tai laikoma neįmanoma ir yra nustumta į mokslinės fantastikos sritį.

„Esame pagaminti iš deguonies, vandenilio ir anglies, su nedideliu kiekiu kitų cheminių elementų. Jeigu surinksime reikiamą skaičių reikalingų elementų atomų, o paskui, pasitelkę teleportaciją, perkelsime juos į būseną, identišką jų būsenai teleportuoto žmogaus kūne, gausime tą patį žmogų. Jis bus fiziškai neatskiriamas nuo originalo, išskyrus savo vietą erdvėje (juk identiškos kvantinės dalelės neatskiriamos). Žinoma, perdedu iki kraštutinumo – visa amžinybė skiria mus nuo žmonių teleportacijos. Tačiau klausimo esmė yra būtent tokia: visur randama identiškų kvantinių dalelių, tačiau įvesti jas į norimą kvantinę būseną visai nelengva“, – pokalbyje su N+1 sakė Aleksandras Lvovskis.