Möjligheten till teleportering är en av de mest omdiskuterade paranormala och paravetenskapliga frågorna. Dessutom bygger den både på fantastiska mystiska idéer och på vissa vetenskapliga landvinningar. Men olika rapporter som teleportering är på väg att uppnås i praktiken, är endast en orättvis användning av information om kvantteleportering. Kvantteleportation är ett verkligt fysiskt fenomen, men det är bara indirekt relaterat till teleportation från mystikers teorier och science fiction-verk.

Kunde inte vara utan Einstein

Utövandet av teleportering innebär överföring av materia från en punkt i rymden till en annan utan en kontinuerlig rörelsebana. Det vill säga, det är omöjligt att spåra den oavbrutna sekvensen av ett ämne som befinner sig vid en viss tidpunkt vid varje efterföljande ögonblick. Alltså försvinner materia ett tag, och dyker sedan upp på en helt annan plats. Inget liknande händer i fallet med kvantteleportering, naturligtvis. Det förknippas med kvantans speciella egenskaper och formulerades först på teoretisk nivå på 1930-talet av den berömde Albert Einstein.

Han föreslog att det mellan två partiklar skulle kunna finnas en kommunikationskanal av så kallade entangled quanta, genom vilken överföring av egenskaper från en elementarpartikel till en annan är möjlig. Fysiskt rör elementarpartiklar inte varandra, det vill säga de kommer inte i kontakt. Egenskapen för en partikel skickas genom ett kvantum, och vid utgångspunkten förstörs denna egenskap och försvinner, den sändande partikeln berövas denna egenskap. I sin tur uppträder denna egenskap på en annan partikel och "transporteras" genom intrasslade kvanta. Varken energi eller materia själv "hoppar" mellan partiklar, och hastigheten för överföring av egenskaper överstiger inte ljusets hastighet i ett vakuum. Således överträds inga fysiska lagar och vi kan inte tala om riktig teleportering. Det är karakteristiskt att Einstein inte trodde på den praktiska genomförbarheten av ens denna hans teoretiska modell, eftersom kvantteleportering ansågs vara en konsekvens av inkonsekvensen i själva kvantteorin.

Genomförande i praktiken

Kvantteleportation, även känd som EPR-effekten (uppkallad efter namnen på medförfattarna till teoretiskt arbete om detta ämne - Einstein, Podolsky, Rosen), ansågs vara rent spekulativt i nästan ett halvt sekel. Men 1980 bekräftades existensen av denna effekt experimentellt. Den så kallade teleporteringen av fotoner utfördes, det vill säga överföringen av egenskaper från en foton till en annan. Inledningsvis kunde forskare inte hitta en förklaring till detta fenomen, vilket stred mot fysikens lagar. Men sedan kom de ihåg principen om kvantteleportation som formulerades av Einstein och hans kollegor - och allt föll på plats.

Dessutom var det speciella med kvantteleportation möjligheten att överföra egenskaper mellan elementarpartiklar över avsevärda avstånd. Men samtidigt dök olika svårigheter upp. Således blev det snabbt klart att kvantteleportering har begränsningar som är karakteristiska för vilken kommunikationskanal som helst - hastigheten för informationsöverföring kan inte överstiga den maximala hastigheten som är tillgänglig för just denna kanal. I bästa fall kommer den att närma sig ljusets hastighet i ett vakuum. Dessutom hade kvantteleportation ingenting gemensamt med "klassisk" teleportation, bekant från science fiction-romaner. En sådan överföring av energi och materia från en punkt till en annan är fortfarande inte möjlig. Så entusiaster som är ivriga att uppnå mänsklig teleportering måste vänta. Det kan mycket väl vara så att vi måste vänta i det oändliga: även om en metod för att teleportera materia upptäcks är det svårt att föreställa sig möjligheten att teleportera intelligenta varelser och återskapa en fullfjädrad medvetandemekanism på en ny plats.

Experiment driver vetenskapen

Kvantteleportering har fått bred pressbevakning i samband med de senaste landvinningarna i denna riktning av japanska vetenskapsmän. Under olika experiment uppnådde de imponerande resultat. I det första fallet visade sig experimentet vara mycket imponerande: forskarna kunde "teleportera" ett ljuskvantum. I huvudsak är detta teleporteringen av en foton - ljuset "bröts ner" till individuella fotonpartiklar och med hjälp av en kommunikationskanal av intrasslade kvanta överfördes de till en annan punkt i rymden, där de återigen samlades in i en ljusstråle. I det andra fallet uppnåddes den första kvantteleportationen inte mellan två, utan mellan tre fotoner. Ur praktisk vetenskaplig tekniks synvinkel är detta ett verkligt genombrott, som öppnar upp för verkliga möjligheter för skapandet av kvantdatorer. Dessa datorer kommer att vara storleksordningar mer produktiva när det gäller databehandlingshastighet, såväl som i deras totala volym.

Men japanska experiment med kvantteleportation är inte på något sätt de enda, arbetet i denna riktning har pågått i flera decennier, men har varit särskilt aktivt de senaste åren. Sålunda, 2004, genomfördes framgångsrika experiment i kvantteleportation inte mellan fotoner, utan mellan atomer - i det första fallet utbytte joner av en kalciumatom egenskaper, i det andra - joner av en berylliumatom. 2006 genomfördes kvantteleportation mellan två objekt av olika karaktär, mellan cesiumatomer å ena sidan och laserstrålningskvanter å andra sidan. Från 2010 till 2012 satte forskare konsekvent imponerande avståndsrekord för kvantteleportering: först i Kina överfördes egenskaper mellan fotoner över 16 kilometer, sedan i Mellersta kungariket ökades prestationen till 97 kilometer, och sedan i Österrike uppnådde forskare teleportering av 143 kilometer.

Alexander Babitsky

En grupp forskare från den kinesiska vetenskapsakademin genomförde ett satellitexperiment på överföring av kvanttillstånd mellan par av intrasslade fotoner (så kallad kvantteleportation) över ett rekordavstånd på mer än 1200 km.

Fenomenet (eller intrasslingen) uppstår när tillstånden för två eller flera partiklar är beroende av varandra (korrelerade), vilket kan separeras till godtyckligt stora avstånd, men samtidigt fortsätter de att "känna" varandra. Att mäta parametern för en partikel leder till omedelbar förstörelse av en annans intrasslade tillstånd, vilket är svårt att föreställa sig utan att förstå principerna för kvantmekaniken, särskilt eftersom partiklar (detta var speciellt visad i experiment om kränkning av de så kallade Bell-ojämlikheterna) inte har några dolda parametrar där information om tillståndet för "följeslagaren" skulle lagras, och samtidigt leder en omedelbar förändring i tillstånd inte till en kränkning av kausalitetsprincipen och tillåter inte att användbar information överförs på detta sätt.

För att överföra verklig information är det dessutom nödvändigt att involvera partiklar som rör sig med en hastighet som inte överstiger ljushastigheten. Entangled partiklar kan till exempel vara fotoner som har en gemensam progenitor, och den beroende parametern är till exempel deras spin.

Inte bara forskare som är involverade i grundläggande fysik, utan även ingenjörer som designar säker kommunikation visar intresse för att överföra tillstånden för intrasslade partiklar över allt längre avstånd och under de mest extrema förhållanden. Man tror att fenomenet partikelintrassling kommer att förse oss med i princip okackbara kommunikationskanaler i framtiden. "Skydd" i detta fall kommer att vara det oundvikliga meddelandet från konversationsdeltagarna om att en tredje part har ingripit i deras kommunikation.

Bevis på detta kommer att vara fysikens okränkbara lagar - vågfunktionens irreversibla kollaps.

Prototyper av enheter för implementering av sådan säker kvantkommunikation har redan skapats, men idéer dyker också upp för att äventyra driften av alla dessa "absolut säkra kanaler", till exempel genom reversibla svaga kvantmätningar, så det är fortfarande oklart om kvantkryptografi kommer att kunna lämna prototyptestningsstadiet utan om all utveckling kommer att visa sig vara dömd på förhand och olämplig för praktisk användning.

En annan punkt: överföringen av intrasslade tillstånd har hittills endast utförts över avstånd som inte överstiger 100 km, på grund av förlusten av fotoner i den optiska fibern eller i luften, eftersom sannolikheten att åtminstone några av fotonerna kommer att nå detektorn blir försvinnande liten. Då och då dyker det upp rapporter om nästa prestation längs denna väg, men det är ännu inte möjligt att täcka hela jordklotet med en sådan koppling.

Så, tidigare denna månad, tillkännagav kanadensiska fysiker framgångsrika försök att kommunicera via en säker kvantkanal med ett flygplan, men det var bara 3-10 km från sändaren.

Det så kallade quantum repeater-protokollet är erkänt som ett av sätten att radikalt förbättra signalutbredningen, men dess praktiska värde förblir ifrågasatt på grund av behovet av att lösa ett antal komplexa tekniska problem.

Ett annat tillvägagångssätt är just användningen av satellitteknik, eftersom satelliten kan förbli i sikte till olika mycket avlägsna platser på jorden samtidigt. Den största fördelen med detta tillvägagångssätt skulle vara att det mesta av fotonvägen skulle vara i ett virtuellt vakuum, med nästan noll absorption och ingen dekoherens.

För att demonstrera genomförbarheten av satellitexperiment genomförde kinesiska experter preliminära marktester som visade framgångsrik dubbelriktad utbredning av intrasslade fotonpar genom ett öppet medium på avstånd på 600 m, 13 och 102 km med en effektiv kanalförlust på 80 dB. Experiment har också utförts på överföring av kvanttillstånd på rörliga plattformar under förhållanden med hög förlust och turbulens.

Efter detaljerade genomförbarhetsstudier med deltagande av österrikiska forskare utvecklades en satellit på 100 miljoner dollar och lanserades den 16 augusti 2016 från Jiuquan Satellite Launch Center i Gobiöknen med hjälp av en Long March 2D uppskjutningsfordon in i en omloppsbana på en höjd av 500 km. .

Satelliten fick namnet "Mo Tzu" för att hedra den forntida kinesiska filosofen på 500-talet f.Kr., grundaren av moism (läran om universell kärlek och statskonsekvenser). Under flera århundraden i Kina konkurrerade mohismen framgångsrikt med konfucianismen tills den senare antogs som statsideologi.

Mozi-uppdraget stöds av tre markstationer: Delinghe (Qinghai-provinsen), Nanshan i Urumqi (Xinjiang) och GaoMeiGu-observatoriet (GMG) i Lijiang (Yunnan-provinsen). Avståndet mellan Delinghe och Lijian är 1203 km. Avståndet mellan den kretsande satelliten och dessa markstationer sträcker sig från 500-2000 km.

Eftersom intrasslade fotoner inte bara kan "förstärkas" som klassiska signaler, var nya tekniker tvungna att utvecklas för att minska dämpningen i överföringslänkar mellan jorden och satelliter. För att uppnå den erforderliga kommunikationseffektiviteten var det nödvändigt att samtidigt uppnå minimal stråldivergens och höghastighets- och högprecisionsinriktning av detektorer.

Efter att ha utvecklat en ultraljusande kosmisk källa för två-fotoner intrassling och högprecision APT (acquiring, pointing, and tracking)-teknologi, etablerade teamet "kvantkoppling" mellan par av fotoner åtskilda av 1203 km, forskare genomförde s.k. Klocktest för att testa lokalitetsöverträdelser (förmågan att omedelbart påverka tillståndet hos en avlägsna partikel) och erhöll ett resultat med en statistisk signifikans på fyra sigma (standardavvikelser).

Diagram över fotonkällan på satelliten. Tjockleken på KTiOPO4 (PPKTP) kristallen är 15 mm. Ett par konkava axelspeglar fokuserar pumplasern (PL) i mitten av PPKTP-kristallen. Utsignalen från en Sagnac-interferometer använder två dikromatiska speglar (DM) och filter för att separera signalfotoner från pumplasern. Två extra speglar (PI), fjärrstyrda från marken, används för att finjustera strålriktningen för optimal stråluppsamlingseffektivitet. QWP - kvartsvågsfassektion; HWP - halvvågsfassektion; PBS - polariserande stråldelare.

Jämfört med tidigare metoder som använder de vanligaste kommersiella telekommunikationsfibrerna var effektiviteten för satellitförbindelsen många storleksordningar högre, vilket, enligt studieförfattarna, öppnar vägen för praktiska tillämpningar som tidigare inte var tillgängliga på jorden.

A. SHISHLOVA. Baserat på material från tidskrifterna "Nature" och "Science news".

I subtila fysiska experiment verkar det som om det var möjligt att göra det som de mest vågade science fiction-författarna inte ansåg mer än orealistisk fantasi: genom att studera en av de en gång bundna partiklarna kan man omedelbart (med superluminal hastighet!) från vilket avstånd som helst få information om tillståndet för en annan partikel.

Hjältar av science fiction-filmer och romaner har länge bemästrat teleportation - ett bekvämt sätt att omedelbart röra sig i tid och rum. När det gäller det verkliga livet fortsätter detta att bara vara en dröm.

Ändå, redan 1935, föreslog Albert Einstein, tillsammans med sina kollegor B. Podolsky och N. Rosen, ett experiment om teleportering, om inte av materia, så av information. Denna metod för superluminal kommunikation kallas EPR-paradoxen.

Kärnan i paradoxen är följande. Det finns två partiklar som interagerar under en tid och bildar ett enda system. Ur kvantmekanikens synvinkel kan detta kopplade system beskrivas med en viss vågfunktion. När interaktionen upphör och partiklarna flyger väldigt långt bort kommer de fortfarande att beskrivas av samma funktion. Men tillståndet för varje enskild partikel är i princip okänt: detta följer av osäkerhetsrelationen. Och först när en av dem träffar mottagaren, som registrerar dess parametrar, visas den andra (de visas, blir inte kända!) motsvarande egenskaper. Det vill säga, momentan "överföring" av en partikels kvanttillstånd över ett obegränsat stort avstånd är möjlig. Teleportering av själva partikeln och överföring av massa sker inte.

En projektil som går sönder i två beter sig på liknande sätt: om den var stillastående före explosionen är den totala rörelsemängden för dess fragment noll. Genom att "fånga" ett fragment och mäta dess rörelsemängd kan du omedelbart bestämma storleken på rörelsemängden för det andra fragmentet, oavsett hur långt det flyger.

Idag hävdar minst två vetenskapliga grupper – österrikiska forskare från universitetet i Innsbruck och italienska forskare från universitetet La Sapienza i Rom – att de har lyckats teleportera en fotons egenskaper under laboratorieförhållanden.

Experimenten i Innsbruck förmedlade "budskap" i form av polariserade fotoner av ultraviolett strålning. Denna foton interagerade i en optisk bländare med en av ett par kopplade fotoner. Mellan dem uppstod i sin tur en kvantmekanisk koppling, vilket ledde till polariseringen av det nya paret. Således uppnådde experimentörerna ett mycket intressant resultat: de lärde sig att binda fotoner som inte har ett gemensamt ursprung. Detta öppnar för möjligheten att genomföra en hel klass av fundamentalt nya experiment.

Som ett resultat av mätningen fick den andra fotonen i det ursprungliga kopplade paret också en viss fast polarisation: en kopia av det ursprungliga tillståndet för "budbärarfotonen" överfördes till den avlägsna fotonen. Den svåraste utmaningen var att bevisa att kvanttillståndet verkligen var teleporterat: detta krävde att man visste exakt hur detektorerna var placerade för att mäta den övergripande polariseringen och krävde noggrann synkronisering av dem.

Istället för att använda en separat "budbärarfoton" föreslog italienska forskare att man samtidigt skulle överväga två egenskaper hos varje bunden partikel: polarisering och rörelseriktning. Detta gör det möjligt att teoretiskt beskriva dem som separata partiklar och samtidigt, med mätningar endast med den första partikeln, erhålla egenskaperna hos den andra utan att röra den - att utföra teleportering.

Efter att ha nått framgång i fotonteleportering planerar experimentörer redan att arbeta med andra partiklar - elektroner, atomer och till och med joner. Detta kommer att möjliggöra överföring av ett kvanttillstånd från en kortlivad partikel till en mer stabil. På så sätt kommer det att vara möjligt att skapa lagringsenheter där information från fotoner skulle lagras på joner isolerade från omgivningen.

Efter skapandet av tillförlitliga metoder för kvantteleportation kommer verkliga förutsättningar att uppstå för skapandet av kvantberäkningssystem (se "Science and Life" nr 6, 1996). Teleportering kommer att ge tillförlitlig överföring och lagring av information mot bakgrund av kraftfulla störningar, när alla andra metoder är ineffektiva, och kan användas för kommunikation mellan flera kvantdatorer. Dessutom har själva metoderna som forskarna tagit fram av stor betydelse för framtida experiment inom kvantmekanik, för att testa och förfina en rad moderna fysikaliska teorier.

Kvantteleportering- detta är inte teleportering av fysiska objekt, inte av energi, utan av tillstånd. Men i detta fall överförs tillstånd på ett sätt som är omöjligt att göra i den klassiska representationen. Att överföra information om ett objekt kräver i regel ett stort antal omfattande mätningar. Men de förstör kvanttillståndet, och vi har inget sätt att mäta det igen. Kvantteleportering används för att överföra och överföra ett visst tillstånd, med minimal information om det, utan att "titta" in i det, utan att mäta det, och därmed utan att störa det.

Qubits

En qubit är det tillstånd som överförs under kvantteleportering. En kvantbit är i en superposition av två tillstånd. Det klassiska tillståndet, till exempel, är antingen i tillstånd 0 eller tillstånd 1. Kvanttillståndet är i en superposition, och, mycket viktigt, tills vi mäter det kommer det inte att definieras. Låt oss föreställa oss att vi hade en qubit som var 30 % - 0 och 70 % - 1. Om vi ​​mäter den kan vi få både 0 och 1. Du kan inte säga något med en mätning. Men om vi förbereder 100, 1000 sådana identiska tillstånd och mäter dem om och om igen, kan vi ganska exakt karakterisera detta tillstånd och förstå att det verkligen fanns 30 % - 0 och 70 % - 1.

Detta är ett exempel på att få information på klassiskt sätt. Efter att ha tagit emot en stor mängd data kan mottagaren återskapa detta tillstånd. Kvantmekaniken gör det dock möjligt att inte förbereda många tillstånd. Låt oss föreställa oss att vi bara har en unik, och det finns ingen annan. Då går det inte längre att förmedla det i klassikerna. Fysiskt, direkt är detta inte heller alltid möjligt. Och inom kvantmekaniken kan vi använda intrasslingseffekten.

Vi använder också fenomenet quantum nonlocality, det vill säga ett fenomen som är omöjligt i den värld vi är vana vid, så att detta tillstånd försvinner här och dyker upp där. Det mest intressanta är dessutom att det i förhållande till samma kvantobjekt finns en sats om icke-kloning. Det vill säga, det är omöjligt att skapa ett andra identiskt tillstånd. En måste förstöras för att en annan ska dyka upp.

Kvantsammanflätning

Vad är intrasslingseffekten? Det här är två tillstånd förberedda på ett speciellt sätt, två kvantobjekt - qubits. För enkelhetens skull kan vi ta fotoner. Om dessa fotoner separeras över ett stort avstånd kommer de att korrelera med varandra. Vad betyder det? Låt oss föreställa oss att vi har en foton som är blå och en annan som är grön. Om vi ​​tog isär dem, tittade på dem och jag hittade blått, så visade det sig att dina var gröna och vice versa. Eller om du tar en låda med skor som innehåller en höger och en vänster sko, ta tyst ut dem och i en påse ta en sko till dig och den andra till mig. Så jag öppnade väskan, jag tittar: jag har den rätta. Så du har definitivt den vänstra.

Kvantfallet är annorlunda genom att tillståndet som kom till mig före mätningen varken är blått eller grönt - det är en överlagring av blått och grönt. När du har separerat stövlarna är resultatet redan förutbestämt. Medan väskorna bärs är de ännu inte öppnade, men det är redan klart vad som kommer att finnas där. Tills kvantobjekt mäts är inget bestämt ännu.

Om vi ​​inte tar färg, utan polarisation, det vill säga riktningen för svängningar av det elektriska fältet, kan vi särskilja två alternativ: vertikal och horisontell polarisation och +45° - -45°. Lägger man ihop horisontellt och vertikalt i lika stora proportioner får man +45°, subtraherar man det ena från det andra så -45°. Låt oss nu föreställa oss att på exakt samma sätt kom en foton till mig och den andra till dig. Jag tittade: det är vertikalt. Så din är horisontell. Låt oss nu föreställa oss att jag såg en vertikal, och du tittade på den diagonalt, det vill säga om du tittade på den - den är +45° eller -45°, kommer du med lika stor sannolikhet att se det ena eller det andra resultatet. Men om jag tittade på diagonalbasen och såg +45° så vet jag säkert att du har -45°.

Einstein-Podolsky-Rosen paradox

Kvantintrassling är förknippad med kvantmekanikens grundläggande egenskaper och den så kallade Einstein-Podolsky-Rosen-paradoxen. Einstein protesterade mot kvantmekaniken så länge eftersom han trodde att naturen inte kunde överföra information om ett tillstånd med en hastighet som är snabbare än ljusets hastighet. Vi kan sprida fotonerna väldigt långt, till exempel med ett ljusår, och öppna dem samtidigt. Och vi kommer fortfarande att se detta samband.

Men i själva verket bryter detta inte mot relativitetsteorin, eftersom vi fortfarande inte kan överföra information med denna effekt. Antingen en vertikal eller horisontell foton mäts. Men det är inte känt i förväg exakt vad det blir. Trots att det är omöjligt att överföra information snabbare än ljusets hastighet, gör intrassling det möjligt att implementera ett kvantteleportationsprotokoll. Vad är det? Ett intrasslat par fotoner föds. Den ena går till sändaren, den andra till mottagaren. Sändaren gör en gemensam mätning av målfotonen som den måste sända. Och med en ¼ sannolikhet kommer han att få resultatet OK. Han kan kommunicera detta till mottagaren, och mottagaren vet i det ögonblicket att han har exakt samma tillstånd som sändaren hade. Och med en sannolikhet på ¾ får han ett annat resultat - inte bara en misslyckad mätning, utan helt enkelt ett annat resultat. Men det är i alla fall användbar information som kan förmedlas till mottagaren. I tre av fyra fall måste mottagaren utföra ytterligare en rotation av sin qubit för att erhålla det överförda tillståndet. Det vill säga, 2 bitar av information överförs, och med deras hjälp kan du teleportera ett komplext tillstånd som inte kan kodas med dem.

Kvantkryptografi

Ett av de huvudsakliga tillämpningsområdena för kvantteleportation är den så kallade kvantkryptografin. Tanken bakom denna teknik är att en enda foton inte kan klonas. Därför kan vi överföra information i denna enda foton, och ingen kan duplicera den. Dessutom, med varje försök av någon att ta reda på något om denna information, kommer fotonens tillstånd att förändras eller förstöras. Följaktligen kommer alla försök att få denna information från utomstående att uppmärksammas. Detta kan användas i kryptografi och informationsskydd. Det är visserligen inte användbar information som överförs, utan en nyckel, som sedan klassiskt gör det möjligt att överföra information absolut tillförlitligt.

Denna teknik har en stor nackdel. Faktum är att det, som vi sa tidigare, är omöjligt att skapa en kopia av en foton. En normal signal i en optisk fiber kan förstärkas. För kvantfallet är det omöjligt att förstärka signalen, eftersom förstärkningen kommer att motsvara någon form av interceptor. I verkligheten, på verkliga linjer, är överföringen begränsad till ett avstånd på cirka 100 kilometer. 2016 genomförde Russian Quantum Center en demonstration på Gazprombank-linjer, där de visade kvantkryptografi på 30 kilometer fiber i stadsmiljö.

I laboratoriet kan vi demonstrera kvantteleportation på avstånd på upp till 327 kilometer. Men tyvärr är långa avstånd opraktiska eftersom fotoner går förlorade i fibern och hastigheten är mycket låg. Vad ska man göra? Du kan installera en mellanserver som tar emot information, dekrypterar den, krypterar den igen och överför den vidare. Detta är vad kineserna till exempel gör när de bygger sitt kvantkryptografinätverk. Amerikanerna använder samma tillvägagångssätt.

Kvantteleportering i det här fallet är en ny metod som låter dig lösa problemet med kvantkryptografi och öka avståndet till tusentals kilometer. Och i det här fallet teleporteras samma foton som sänds många gånger. Många grupper runt om i världen arbetar med denna uppgift.

Kvantminne

Låt oss föreställa oss en kedja av teleportationer. Var och en av länkarna har en generator av intrasslade par, som måste skapa och distribuera dem. Detta händer inte alltid framgångsrikt. Ibland måste du vänta tills nästa försök att fördela par lyckas. Och qubiten måste ha någon plats där den väntar på teleportering. Detta är kvantminne.

Inom kvantkryptografi är det en slags mellanstation. Sådana stationer kallas quantum repeaters, och de är nu ett av huvudområdena för forskning och experiment. Det här är ett populärt ämne, i början av 2010-talet var repeaters ett mycket avlägset perspektiv, men nu ser uppgiften ut att vara genomförbar. Till stor del för att tekniken ständigt utvecklas, bland annat på grund av telekommunikationsstandarder.

Framsteg av experimentet i laboratoriet

Om du kommer till kvantkommunikationslaboratoriet kommer du att se mycket elektronik och fiberoptik. All optik är standard, telekommunikation, lasrar finns i små standardboxar - chips. Om du går in i laboratoriet Alexander Lvovsky, där de framför allt gör teleportering, kommer du att se ett optiskt bord som är stabiliserat på pneumatiska stöd. Det vill säga, om du rör det här bordet, som väger ett ton, med fingret kommer det att börja flyta och svaja. Detta görs eftersom tekniken som implementerar kvantprotokoll är mycket känslig. Om du står på hårda ben och går runt, så kommer allt att bero på bordets vibrationer. Det vill säga, det är öppen optik, ganska stora dyra lasrar. I allmänhet är detta ganska skrymmande utrustning.

Det initiala tillståndet förbereds med laser. För att förbereda intrasslade tillstånd används en olinjär kristall, som pumpas av en pulsad eller kontinuerlig laser. På grund av icke-linjära effekter föds par av fotoner. Låt oss föreställa oss att vi har en foton med energi två - ℏ(2ω), den omvandlas till två fotoner med energi ett - ℏω+ ℏω. Dessa fotoner föds bara tillsammans; först kan en foton inte separera, sedan en annan. Och de är sammankopplade (trasslade) och uppvisar icke-klassiska korrelationer.

Historia och aktuell forskning

Så i fallet med kvantteleportation observeras en effekt som vi inte kan observera i vardagen. Men det fanns en väldigt vacker, fantastisk bild, som var helt rätt för att beskriva detta fenomen, varför det kallades så - kvantteleportation. Som redan nämnts finns det inget ögonblick i tiden när en qubit fortfarande existerar här, men där har den redan dykt upp. Det vill säga att det först förstörs här, och först därefter dyker det upp där. Detta är samma teleportering.

Kvantteleportering föreslogs teoretiskt 1993 av en grupp amerikanska forskare ledda av Charles Bennett - det var då termen dök upp. Den första experimentella implementeringen genomfördes 1997 av två grupper av fysiker i Innsbruck och Rom. Gradvis kunde forskare överföra tillstånd över allt större avstånd - från en meter till hundratals kilometer eller mer.

Nu försöker folk göra experiment som kan bli grunden för kvantrepeterare i framtiden. Det förväntas att vi om 5–10 år kommer att se riktiga kvantrepeterare. Riktningen för statlig överföring mellan objekt av olika natur utvecklas också, inklusive i maj 2016 utfördes hybrid kvantteleportation vid Quantum Center, i Alexander Lvovskys laboratorium. Teorin står inte heller still. I samma Quantum Center, under ledning av Alexey Fedorov, utvecklas ett teleporteringsprotokoll inte i en riktning, utan dubbelriktat, så att stater med hjälp av ett par kan teleporteras mot varandra samtidigt.

Vårt arbete med kvantkryptografi skapar en kvantdistribution och nyckelenhet, vilket innebär att vi genererar en nyckel som inte kan fångas upp. Och sedan kan användaren kryptera information med denna nyckel, med hjälp av den så kallade engångsplattan. Nya fördelar med kvantteknik bör avslöjas under det kommande decenniet. Skapandet av kvantsensorer håller på att utvecklas. Deras väsen är att vi på grund av kvanteffekter kan mäta till exempel magnetfält och temperatur mycket mer exakt. Det vill säga att de så kallade NV-centran i diamanter tas - det här är små diamanter, de har kvävedefekter som beter sig som kvantobjekt. De är mycket lika en frusen enstaka atom. Om man tittar på denna defekt kan man observera temperaturförändringar, även inuti en enda cell. Det vill säga, mät inte bara temperaturen under armen, utan temperaturen på organellen inuti cellen.

Russian Quantum Center har också ett spindiodprojekt. Tanken är att vi kan ta en antenn och börja skörda energi från bakgrundsradiovågor mycket effektivt. Det räcker med att komma ihåg hur många Wi-Fi-källor det nu finns i städer för att förstå att det finns mycket radiovågsenergi runt omkring. Den kan användas för bärbara sensorer (till exempel en blodsockersensor). De kräver konstant energitillförsel: antingen ett batteri eller ett system som samlar energi, inklusive från en mobiltelefon. Det vill säga, å ena sidan kan dessa problem lösas med den befintliga elementbasen med en viss kvalitet, och å andra sidan kan kvantteknologier tillämpas och detta problem kan lösas ännu bättre, ännu mer miniatyriserat.

Kvantmekaniken har i hög grad förändrat mänskligt liv. Halvledare, atombomben, kärnenergi - det här är alla föremål som fungerar tack vare det. Hela världen kämpar nu för att börja kontrollera kvantegenskaperna hos enskilda partiklar, inklusive intrasslade. Till exempel involverar teleportering tre partiklar: ett par och ett mål. Men var och en av dem hanteras separat. Individuell kontroll av elementarpartiklar öppnar nya horisonter för teknik, inklusive en kvantdator.

Jurij Kurochkin, kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper, chef för Quantum Communications Laboratory vid Russian Quantum Center.

Taggar:

Lägg till taggar

Aldrig tidigare har RuNet upplevt en sådan törst efter kunskap inom kvantmekanik som efter publiceringen i tidningen Kommersant av en artikel som nämner planer på att införa "teleportation" i Ryssland. Programmet för byrån för strategiska initiativ (ASI) för den tekniska utvecklingen av Ryssland är dock inte begränsat till "teleportation", utan det är denna term som har uppmärksammats av sociala nätverk och media och har blivit orsaken till många skämt.

Sedan förs de intrasslade partiklarna till det avstånd som krävs - så att fotonerna A och B stannar kvar på ett ställe och fotonerna C på ett annat. En fiberoptisk kabel läggs mellan de två punkterna. Observera att det maximala avståndet vid vilket kvantteleportering utfördes redan är mer än 100 km.

Målet är att överföra kvanttillståndet för den icke intrasslade partikeln A till partikel C. För att göra detta mäter forskare kvantegenskapen för fotonerna A och B. Mätresultaten omvandlas sedan till en binär kod som berättar skillnaderna mellan partiklarna A och B. .

Denna kod sänds sedan över en traditionell kommunikationskanal - en optisk fiber, och mottagaren av meddelandet i andra änden av kabeln, som har C-partikeln, använder denna information som en instruktion eller nyckel för att manipulera C-partikeln - i essens, återställande av det tillstånd som partikeln C hade med hjälp av partikeln C. partikel A. Som ett resultat kopierar partikel C kvanttillståndet för partikel A - informationen teleporteras.

Varför behövs allt detta?

För det första är kvantteleportering planerad att användas i kvantkommunikation och kvantkryptografiteknologier - säkerheten för denna typ av kommunikation ser attraktiv ut för både företag och stat, och användningen av kvantteleportering tillåter oss att undvika förlust av information när fotoner rör sig längs en optisk fiber.

Till exempel blev det nyligen känt om den framgångsrika överföringen av kvantinformation mellan två Gazprombank-kontor i Moskva via en optisk fiber 30,6 kilometer lång. Projektet, som det ryska kvantcentret (RCC) arbetade med, och där Gazprombank och Ryska federationens utbildnings- och vetenskapsminister investerade 450 miljoner rubel, visade sig faktiskt vara den första "urbana" kvantkommunikationslinjen i Ryssland.

En annan riktning är kvantdatorer, där intrasslade partiklar kan användas som qubits - enheter av kvantinformation.

En annan idé är "kvantinternet": ett helt kommunikationsnätverk baserat enbart på kvantkommunikation. För att implementera detta koncept måste forskare dock "lära sig att överföra kvanttillstånd mellan objekt av olika fysisk natur - fotoner, atomer, kvantpunkter, supraledande kretsar och så vidare", konstaterade RCC-anställd och professor vid University of Calgary Alexander Lvovsky i ett samtal med N+1 .

Notera att för närvarande teleporterar forskare främst tillstånden för fotoner och atomer; Det har ännu inte varit möjligt att teleportera större objekt.

Kvantteleportering som "samma" teleportering

Tydligen, hypotetiskt, kan kvantteleportation fortfarande användas för att skapa kopior av stora föremål, inklusive människor – trots allt består kroppen också av atomer, vars kvanttillstånd kan teleporteras. Men i det nuvarande skedet av teknisk utveckling anses detta vara omöjligt och förpassas till science fiction-området.

”Vi är gjorda av syre, väte och kol, med en liten tillsats av andra kemiska grundämnen. Om vi ​​samlar in det erforderliga antalet atomer av de nödvändiga elementen och sedan, med hjälp av teleportering, för dem till ett tillstånd som är identiskt med deras tillstånd i den teleporterade personens kropp, kommer vi att få samma person. Det kommer att vara fysiskt omöjligt att skilja från originalet förutom dess position i rymden (trots allt går identiska kvantpartiklar inte att skiljas åt). Jag överdriver naturligtvis till det yttersta - en hel evighet skiljer oss från mänsklig teleportering. Men kärnan i frågan är just detta: identiska kvantpartiklar finns överallt, men att föra dem till det önskade kvanttillståndet är inte alls lätt”, sa Alexander Lvovsky i ett samtal med N+1.