Der Runet hat noch nie einen solchen Wissensdurst in der Quantenmechanik erlebt wie nach der Veröffentlichung eines Artikels in der Zeitung Kommersant, in dem Pläne zur Einführung der „Teleportation“ in Russland erwähnt wurden. Das Programm der Agentur für strategische Initiativen (ASI) für die technologische Entwicklung Russlands beschränkt sich jedoch nicht auf „Teleportation“, sondern es war dieser Begriff, der die Aufmerksamkeit sozialer Netzwerke und Medien auf sich zog und für viele zum Grund wurde Witze.

Dann werden die verschränkten Teilchen auf den erforderlichen Abstand getrennt – so dass die Photonen A und B an der einen Stelle verbleiben und C an der anderen.Zwischen den beiden Punkten wird ein Glasfaserkabel verlegt. Beachten Sie, dass die maximale Entfernung, bei der die Quantenteleportation durchgeführt wurde, bereits mehr als 100 km beträgt.

Die Aufgabe besteht darin, den Quantenzustand eines unverschränkten Teilchens A auf Teilchen C zu übertragen. Dazu messen Wissenschaftler die Quanteneigenschaft der Photonen A und B. Die Ergebnisse der Messungen werden dann in einen Binärcode umgewandelt, der die Unterschiede zwischen ihnen angibt Teilchen A und B.

Dieser Code wird dann über den herkömmlichen Kommunikationskanal, eine optische Faser, übertragen, und der Empfänger der Nachricht am anderen Ende des Kabels, der das C-Teilchen besitzt, verwendet diese Information als Anweisung oder Schlüssel, um das C-Teilchen zu manipulieren - in Essenz, wodurch das C-Teilchen in den Zustand zurückversetzt wird, den das C-Teilchen hatte, Teilchen A. Als Ergebnis kopiert Teilchen C den Quantenzustand von Teilchen A – die Information wird teleportiert.

Wozu das alles?

Zunächst ist geplant, die Quantenteleportation in Quantenkommunikations- und Quantenkryptografietechnologien einzusetzen – die Sicherheit dieser Art der Kommunikation erscheint sowohl für Unternehmen als auch für den Staat attraktiv, und die Verwendung von Quantenteleportation ermöglicht es, Informationsverluste bei Photonen zu vermeiden bewegen sich entlang einer optischen Faser.

Kürzlich wurde beispielsweise die erfolgreiche Übertragung von Quanteninformationen zwischen zwei Gazprombank-Büros in Moskau über eine 30,6 Kilometer lange Glasfaser bekannt. Das Projekt, an dem das Russische Quantenzentrum (RKC) arbeitete und in das die Gazprombank und das Ministerium für Bildung und Wissenschaft der Russischen Föderation 450 Millionen Rubel investierten, stellte sich tatsächlich als die erste „städtische“ Quantenkommunikationsleitung in Russland heraus.

Eine andere Richtung ˜ sind Quantencomputer, bei denen verschränkte Teilchen als Qubits – Einheiten von Quanteninformationen – verwendet werden können.

Eine andere Idee ist das "Quanteninternet": ein ganzes Kommunikationsnetzwerk, das ausschließlich auf Quantenkommunikation basiert. Um dieses Konzept umzusetzen, müssen die Forscher jedoch „lernen, wie man Quantenzustände zwischen Objekten unterschiedlicher physikalischer Natur überträgt – Photonen, Atome, Quantenpunkte, supraleitende Schaltkreise und so weiter“, sagte Alexander Lvovsky, ein Mitarbeiter des RCC und a Professor an der University of Calgary, im Gespräch mit der N+1-Publikation.

Beachten Sie, dass sich Wissenschaftler derzeit in die Grundzustände von Photonen und Atomen teleportieren; größere Objekte wurden noch nicht teleportiert.

Quantenteleportation als „gleiche“ Teleportation

Anscheinend, hypothetisch, kann die Quantenteleportation immer noch verwendet werden, um Kopien von großen Objekten, einschließlich Menschen, zu erstellen – schließlich besteht der Körper auch aus Atomen, deren Quantenzustände teleportiert werden können. Beim gegenwärtigen Stand der technischen Entwicklung gilt dies jedoch als unmöglich und wird dem Reich der Fantasie zugerechnet.

„Wir bestehen aus Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff, mit ein wenig anderen chemischen Elementen. Wenn wir die erforderliche Anzahl von Atomen der erforderlichen Elemente sammeln und sie dann durch Teleportation in einen Zustand bringen, der mit ihrem Zustand im Körper der teleportierten Person identisch ist, erhalten wir dieselbe Person. Es wird physikalisch nicht vom Original zu unterscheiden sein, abgesehen von seiner Position im Raum (schließlich sind identische Quantenteilchen nicht zu unterscheiden). Natürlich übertreibe ich aufs Äußerste - eine ganze Ewigkeit trennt uns von der menschlichen Teleportation. Die Essenz des Problems ist jedoch genau dies: Es gibt überall identische Quantenteilchen, aber es ist überhaupt nicht einfach, sie in den gewünschten Quantenzustand zu bringen “, sagte Alexander Lvovsky im Interview mit N + 1.

In einer Entfernung von rund 1200 Kilometern - zwischen Erde und Weltraum! Die Forscher planen auch, ähnliche Experimente zur Quantenteleportation zwischen Erde und Mond durchzuführen.

Teleportation ... Ein Wort aus Science-Fiction-Büchern, aus Geschichten über Weltraumabenteuer, bei denen Helden mit einem Teleporter in Sekundenschnelle gigantische Distanzen überwinden. Quantenteleportation hat nichts mit der tatsächlichen Bewegung von Objekten zu tun. In diesem Fall, was ist es und warum heißt es so? Über Quantenteleportation AiF.ru sagte der Leiter des Labors für Physik des Polytechnischen Museums Yuri Mikhailovsky:

„Sie müssen verstehen, dass es bei der Quantenteleportation keine Bewegung eines Objekts von einem Ort im Raum zu einem anderen gibt, wie es bei der Teleportation im üblichen Sinne des Wortes der Fall ist. Mit Hilfe der Quantenteleportation wird nicht das Objekt selbst teleportiert, dh es bewegt sich augenblicklich, sondern der Zustand dieses Objekts! Grob gesagt haben wir ein bestimmtes Objekt, das einen bestimmten Zustand hat, und mit Hilfe der Quantenteleportation können wir diesen Zustand an einen anderen Ort übertragen, sodass dort ein Objekt mit den gleichen Eigenschaften erscheint. (In China wird der Teilchenzustand zwischen zwei Punkten auf der Erde mit einem Weltraumsatelliten übertragen, der für dieses Experiment in die Umlaufbahn gebracht wird - Hrsg.) Aber über das Objekt - bedingt. Lassen Sie mich erklären: Jetzt wissen wir nicht, wie wir den Zustand komplexer Objekte übertragen können. Es geht darum, den Zustand einzelner Atome oder Photonen zu übermitteln, nicht mehr.

Um die Quantenteleportation zu implementieren, müssen Sie ein quantenverschränktes Paar erstellen. Der Einfachheit halber sprechen wir von einem Zustand, dem Spinzustand des Teilchens. Es kann sich in zwei Zuständen befinden: Hochdrehen und Herunterdrehen. Wir werden versuchen, diese Zustände zu vermitteln. Wir versuchen also, ein sogenanntes quantenverschränktes Paar (normalerweise ein Paar Lichtphotonen) zu erzeugen. Es ist so angeordnet, dass ihr Gesamtspin Null ist. Das heißt, ein Photon hat einen Spin nach oben, das andere einen Spin nach unten, wenn wir dieses Paar erzeugen, ist ihre Summe Null. Dabei wissen wir nicht nur nicht, wohin die Photonen blicken, sondern die Photonen selbst wissen nicht, in welche Richtung ihre Spins gerichtet sind. Sie befinden sich im sogenannten gemischten Zustand, unbestimmt. Vielleicht nach oben drehen, vielleicht nach unten, niemand weiß es, bis die Messung abgeschlossen ist.

Aber wir haben eine Garantie, dass, wenn wir einen Spin messen und er nach oben schaut, der Spin des anderen Photons nach unten schaut. Nehmen wir nun zwei verschränkte Photonen und verteilen sie über eine lange Distanz, zum Beispiel einen Kilometer. Und hier nehmen wir eines der Photonen und messen seinen Zustand. Wir stellen fest, dass es einen Spin nach oben hat, und in diesem Moment, in einer Entfernung von einem Kilometer, verwandelt sich der Spin eines anderen gemischten Photons in einen Zustand mit einem Spin nach unten. Durch die Messung eines Photons haben wir den Zustand eines anderen Photons verändert.

Normalerweise werden diese beiden verschränkten Photonen Ansila und Bob genannt.

Dieser Effekt der Quantenverschränkung wird zur Teleportation genutzt. Wir haben einen Spin, den wir teleportieren möchten, er heißt normalerweise Alice. Also wird der Gesamtspin von Alice und Ansila gemessen, und in diesem Moment erhält Bob den Zustand von Alice oder konjugiert damit (entgegengesetzt). Welche das sind, erfahren wir aus dem Ergebnis der Messung. Danach müssen wir diese Informationen über den üblichen Kommunikationskanal übertragen. Soll Bob umgedreht werden oder nicht.

Wenn wir zum Beispiel die Zustände von 10 Drehungen übertragen, muss zum Abschluss der Teleportation eine Nachricht gesendet werden wie: „Wechsle zu den entgegengesetzten Zuständen 1, 3, 5, 6 und 8“.

So funktioniert Quantenteleportation.

Eine Schlüsselstudie, die die grundlegende Möglichkeit der Quantenteleportation von Photonen beweist.

Dies ist notwendig für die grundlegende physikalische Begründung der prinzipiellen Möglichkeit der Fernübersetzung genetischer und metabolischer Informationen mittels polarisierter (rotierender) Photonen. Beweise, die sowohl auf die In-vitro- (unter Verwendung eines Lasers) als auch auf die In-vivo-Translation anwendbar sind, d. h. im Biosystem selbst zwischen Zellen.

Experimentelle Quantenteleportation

Quantenteleportation wurde experimentell demonstriert – die Übertragung und Wiederherstellung des Zustands eines Quantensystems in beliebiger Entfernung. Beim Teleportationsprozess wird das primäre Photon polarisiert, und diese Polarisation ist ein fernübertragener Zustand. Dabei ist ein Paar verschränkter Photonen ein Messobjekt, bei dem das zweite Photon des verschränkten Paares beliebig weit vom ursprünglichen entfernt sein kann. Quantenteleportation wird ein Schlüsselelement in Quantencomputing-Netzwerken sein.

Der Traum der Teleportation ist der Traum, reisen zu können, indem man einfach in einiger Entfernung erscheint. Das Objekt der Teleportation kann von der klassischen Physik durch Messungen vollständig durch seine Eigenschaften charakterisiert werden. Um dieses Objekt aus einiger Entfernung zu kopieren, müssen seine Teile oder Fragmente nicht dorthin übertragen werden. Alles, was für eine solche Übertragung benötigt wird, sind die vollständigen Informationen darüber, die dem Objekt entnommen wurden, die verwendet werden können, um das Objekt neu zu erstellen. Aber wie genau müssen diese Informationen sein, um eine exakte Kopie des Originals zu erstellen? Was wäre, wenn diese Teile und Fragmente durch Elektronen, Atome und Moleküle dargestellt würden? Was passiert mit ihren individuellen Quanteneigenschaften, die nach der Heisenbergschen Unschärferelation nicht beliebig genau gemessen werden können?
Bennett et al. haben bewiesen, dass es möglich ist, den Quantenzustand eines Teilchens auf ein anderes zu übertragen, d.h. der Vorgang der Quantenteleportation, der im Übertragungsprozess keine Übermittlung von Informationen über diesen Zustand gewährleistet. Diese Schwierigkeit lässt sich beseitigen, indem man das Prinzip der Verschränkung als besondere Eigenschaft der Quantenmechanik nutzt. Es bildet die Korrelationen zwischen Quantensystemen viel strenger ab, als es klassische Korrelationen können. Die Fähigkeit, Quanteninformationen zu übertragen, ist eine der Grundstrukturen der Wellenquantenkommunikation und des Quantencomputings. Obwohl es in der Beschreibung der Quanteninformationsverarbeitung rasante Fortschritte gibt, lassen die Schwierigkeiten bei der Beherrschung von Quantensystemen keine ausreichenden Fortschritte bei der experimentellen Umsetzung neuer Vorschläge zu. Obwohl wir keine schnellen Fortschritte in der Quantenkryptographie versprechen (primäre Überlegungen zur Übertragung geheimer Daten), haben wir bisher nur erfolgreich die Möglichkeit der quantendichten Codierung als Möglichkeit zur quantenmechanischen Verbesserung der Datenkomprimierung nachgewiesen. Der Hauptgrund für diesen langsamen experimentellen Fortschritt ist, dass, obwohl es Methoden gibt, Paare verschränkter Photonen zu erzeugen, verschränkte Zustände für Atome gerade erst zu studieren beginnen und nicht mehr möglich sind als verschränkte Zustände für zwei Quanten.
Hier veröffentlichen wir den ersten experimentellen Nachweis der Quantenteleportation. Durch die Erzeugung von Paaren verschränkter Photonen mit einem parametrischen Abwärtskonvertierungsprozess und auch durch die Verwendung von Zwei-Photonen-Interferometrie zur Analyse des Verschränkungsprozesses können wir die Quanteneigenschaften (in unserem Fall den Polarisationszustand) von einem Photon auf ein anderes übertragen. Die in diesem Experiment entwickelten Methoden werden sowohl für die Forschung auf dem Gebiet der Quantenkommunikation als auch für zukünftige Experimente zu den Grundlagen der Quantenmechanik von großer Bedeutung sein.

Im Juni 2013 gelang einer Gruppe von Physikern unter der Leitung von Eugene Polzik ein Experiment zur deterministischen Teleportation des kollektiven Spins von 10 12 Cäsiumatomen um einen halben Meter. Diese Arbeit ist auf dem Cover abgebildet. Natur Physik. Warum dies ein wirklich wichtiges Ergebnis ist, was die experimentellen Schwierigkeiten waren und schließlich, was „deterministische Quantenteleportation“ ist, erzählte „Lente.ru“ der Professor und Vorstandsmitglied des Russischen Quantenzentrums (RKC) Eugene Polzik.

"Lenta.ru": Was ist "Quantenteleportation"?

Um zu verstehen, wie sich die Quantenteleportation von dem unterscheidet, was wir beispielsweise in der Star Trek-Serie sehen, müssen Sie eine einfache Sache verstehen. Unsere Welt ist so eingerichtet, dass wir, wenn wir etwas über irgendetwas wissen wollen, in den kleinsten Details immer Fehler machen. Wenn wir zum Beispiel ein gewöhnliches Atom nehmen, dann wird es nicht möglich sein, gleichzeitig die Bewegungsgeschwindigkeit und die Position von Elektronen darin zu messen (dies ist die sogenannte Heisenbergsche Unschärferelation). Das heißt, Sie können das Ergebnis nicht als Folge von Nullen und Einsen darstellen.

In der Quantenmechanik ist es jedoch angebracht, diese Frage zu stellen: Auch wenn das Ergebnis nicht aufgeschrieben werden kann, kann es vielleicht doch gesendet werden? Dieser Vorgang des Sendens von Informationen jenseits der Genauigkeit klassischer Messungen wird als Quantenteleportation bezeichnet.

Wann tauchte die Quantenteleportation zum ersten Mal auf?

Eugene Polzik, Professor des Niels-Bohr-Instituts, Universität Kopenhagen (Dänemark), Mitglied des Exekutivkomitees des Russian Quantum Center

1993 schrieben sich sechs Physiker – Bennett, Brossard und andere – ein Briefe zur körperlichen Überprüfung Artikel (pdf), in dem sie eine wunderbare Terminologie für Quantenteleportation gefunden haben. Bemerkenswert auch deshalb, weil diese Terminologie seither eine äußerst positive Wirkung in der Öffentlichkeit entfaltet. In ihrer Arbeit wurde das Quanteninformationsübertragungsprotokoll rein theoretisch beschrieben.

1997 wurde die erste Quantenteleportation von Photonen durchgeführt (tatsächlich gab es zwei Experimente - die Zaillinger- und die De Martini-Gruppe; Zaillinger wird einfach mehr zitiert). In ihrer Arbeit teleportierten sie die Polarisation von Photonen – die Richtung dieser Polarisation ist eine Quantengröße, also eine Größe, die mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten unterschiedliche Werte annimmt. Wie sich herausstellte, kann dieser Wert nicht gemessen, aber teleportiert werden.

Hier ist etwas zu bedenken: In den Experimenten von Zaillinger und De Martini war die Teleportation probabilistisch, das heißt, sie funktionierte mit einer bestimmten Erfolgswahrscheinlichkeit. Es gelang ihnen, eine Wahrscheinlichkeit von mindestens 67 (2/3) Prozent zu erreichen - was auf Russisch angemessen ist, um die klassische Grenze zu nennen.

Die fragliche Teleportation wird Wahrscheinlichkeit genannt. 1998 haben wir bei Caltech etwas namens deterministische Teleportation gemacht. Wir haben Phase und Amplitude des Lichtimpulses teleportiert. Sie sind, wie die Physiker sagen, wie Geschwindigkeit und Ort des Elektrons „nichtkommutierende Größen“ und gehorchen daher dem bereits erwähnten Heisenberg-Prinzip. Das heißt, sie erlauben keine gleichzeitige Messung.

Ein Atom kann man sich wie einen kleinen Magneten vorstellen. Die Richtung dieses Magneten ist die Richtung des Spins. Mit einem Magnetfeld und Licht kann man die Ausrichtung eines solchen „Magneten“ steuern. Auch Photonen – Lichtteilchen – haben einen Spin, der auch als Polarisation bezeichnet wird.

Was ist der Unterschied zwischen probabilistischer und deterministischer Teleportation?

Um es zu erklären, müssen wir zuerst etwas mehr über Teleportation sprechen. Stellen Sie sich vor, dass an den Punkten A und B der Einfachheit halber Atome vorhanden sind - eines nach dem anderen. Wir wollen beispielsweise den Spin eines Atoms von A nach B teleportieren, also das Atom am Punkt B in den gleichen Quantenzustand wie Atom A bringen. Wie gesagt, ein klassischer Kommunikationskanal reicht dafür also nicht aus zwei Kanäle sind erforderlich - ein klassisches, ein anderes Quantum. Als Träger von Quanteninformation haben wir Lichtquanten.

Zuerst leiten wir Licht durch Atom B. Es findet ein Verschränkungsprozess statt, wodurch eine Verbindung zwischen dem Licht und dem Spin des Atoms hergestellt wird. Wenn Licht bei A ankommt, können wir davon ausgehen, dass zwischen den beiden Punkten ein Quantenkommunikationskanal aufgebaut wurde. Licht, das durch A geht, liest Informationen aus dem Atom und danach wird das Licht von Detektoren eingefangen. Dieser Moment kann als Moment der Informationsübertragung durch einen Quantenkanal betrachtet werden.

Nun bleibt noch, das Messergebnis über den klassischen Kanal nach B zu übertragen, damit anhand dieser Daten einige Transformationen am Spin des Atoms vorgenommen werden (z. B. das Magnetfeld verändert wird). Als Ergebnis erhält das Atom am Punkt B den Spinzustand von Atom A. Die Teleportation ist abgeschlossen.

In Wirklichkeit gehen jedoch Photonen, die durch einen Quantenkanal wandern, verloren (zB wenn dieser Kanal eine gewöhnliche optische Faser ist). Der Hauptunterschied zwischen probabilistischer und deterministischer Teleportation liegt genau in der Einstellung zu diesen Verlusten. Wahrscheinlichkeit ist egal, wie viele da verloren gehen - wenn mindestens eines von einer Million Photonen angekommen ist, dann ist es gut. In diesem Sinne ist es natürlich besser geeignet, Photonen über große Entfernungen zu senden ( aktuell liegt der Rekord bei 143 Kilometern - ca. "Bänder.ru"). Deterministische Teleportation ist schlechter für Verluste – im Allgemeinen gilt, je höher die Verluste, desto schlechter die Qualität der Teleportation, dh am empfangenden Ende der Leitung wird ein nicht ganz ursprünglicher Quantenzustand erhalten – aber es funktioniert jedes Mal, um es zu sagen es unverblümt, Sie drücken den Knopf.

Der verschränkte Zustand von Licht und Atomen ist im Wesentlichen ein verschränkter Zustand ihrer Spins. Wenn die Spins beispielsweise eines Atoms und eines Photons verschränkt sind, dann sind die Messungen ihrer Parameter, wie die Physiker sagen, korreliert. Das heißt, wenn zum Beispiel die Messung des Spins eines Photons ergab, dass es nach oben gerichtet ist, dann wird der Spin des Atoms nach unten gerichtet sein; Wenn sich herausstellt, dass der Spin des Photons nach rechts gerichtet ist, wird der Spin des Atoms nach links gerichtet sein und so weiter. Der Clou dabei: Weder das Photon noch das Atom haben vor der Messung eine eindeutige Spinrichtung. Wie kommt es, dass sie trotzdem korreliert sind? Hier sollte der „Kopfwirbel aus der Quantenmechanik“ beginnen, wie Niels Bohr sagte.

Eugen Polzik

Und wie unterscheiden sie sich im Umfang?

Probabilistic ist, wie gesagt, für die Datenübertragung über große Entfernungen geeignet. Sagen wir, wenn wir in Zukunft ein Quanteninternet bauen wollen, dann brauchen wir genau diese Art der Teleportation. Was den deterministischen betrifft, so kann er nützlich sein, um einige Prozesse zu teleportieren.

Hier müssen wir sofort klarstellen: Jetzt gibt es keine so klare Grenze zwischen diesen beiden Arten der Teleportation. Beispielsweise werden im russischen Quantenzentrum (und nicht nur dort) „hybride“ Systeme der Quantenkommunikation entwickelt, bei denen teils probabilistische und teils deterministische Ansätze verwendet werden.

In unserer Arbeit war die Teleportation des Prozesses stroboskopisch – wir sprechen noch nicht von kontinuierlicher Teleportation.

Es ist also ein diskreter Prozess?

Ja. Tatsächlich kann die staatliche Teleportation natürlich nur einmal stattfinden. Eines der Dinge, die die Quantenmechanik verbietet, ist das Klonen von Zuständen. Das heißt, wenn Sie etwas teleportiert haben, haben Sie es zerstört.

Erzählen Sie uns, was Ihre Gruppe erreicht hat.

Wir hatten ein Ensemble von Cäsiumatomen und teleportierten den kollektiven Spin des Systems. Unser Gas stand unter dem Einfluss eines Lasers und eines Magnetfelds, sodass die Spins der Atome ungefähr gleich ausgerichtet waren. Ein unvorbereiteter Leser kann sich das so vorstellen – unser Team ist eine große Magnetnadel.

Der Pfeil hat eine Richtungsunbestimmtheit (das bedeutet, dass die Spins "ungefähr" gleich orientiert sind), die gleiche Heisenberg-Richtung. Es ist unmöglich, die Richtung dieser Unsicherheit genau zu messen, aber das Teleportieren der Position ist durchaus möglich. Die Größe dieser Unsicherheit beträgt eins pro Quadratwurzel der Anzahl der Atome.

Hier ist es wichtig, einen Exkurs zu machen. Mein Lieblingssystem ist ein Atomgas bei Raumtemperatur. Das Problem bei diesem System ist: Bei Raumtemperatur fallen Quantenzustände schnell auseinander. In unserem Fall leben diese Spinzustände jedoch sehr lange. Und das dank der Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus St. Petersburg.

Sie entwickelten Beschichtungen, die wissenschaftlich als Alkenbeschichtungen bezeichnet werden. Tatsächlich ist es Paraffin sehr ähnlich. Sprüht man eine solche Beschichtung auf die Innenseite einer Glaszelle mit Gas, dann fliegen die Gasmoleküle (mit einer Geschwindigkeit von 200 Metern pro Sekunde) und kollidieren mit den Wänden, aber an ihrem Spin ändert sich nichts. Sie können ungefähr einer Million Kollisionen standhalten. Ich habe eine solche visuelle Darstellung dieses Vorgangs: Das Cover ist wie ein ganzer Weinwald, sehr groß, und um Ihren Rücken zu verwöhnen, müssen Sie Ihren Spin auf jemanden übertragen. Und da ist alles so groß und miteinander verbunden, dass es niemanden gibt, an den man es weitergeben kann, also geht er da rein, zappelt und fliegt zurück, und ihm passiert nichts. Wir haben vor 10 Jahren angefangen, mit diesen Beschichtungen zu arbeiten. Jetzt wurden sie verbessert und bewiesen, dass es möglich ist, mit ihnen im Quantenfeld zu arbeiten.

Also zurück zu unseren Cäsiumatomen. Sie hatten Raumtemperatur (das ist auch gut, weil Alkenbeschichtungen keine hohen Temperaturen aushalten und um Gas zu bekommen, muss normalerweise etwas verdampft, dh erhitzt werden).

Du hast dich um einen halben Meter teleportiert. Ist ein so geringer Abstand eine grundsätzliche Einschränkung?

Nein, natürlich. Wie ich schon sagte, erleidet die deterministische Teleportation keine Verluste, also gingen unsere Laserpulse durch den offenen Raum - wenn wir sie zurück in die Faser trieben, würde es immer irgendeine Art von Verlust geben. Wenn Sie sich dort mit Futurismus beschäftigen, ist es im Allgemeinen durchaus möglich, mit demselben Strahl auf einen Satelliten zu schießen, der das Signal an die richtige Stelle weiterleitet.

Du hast gesagt, dass du Pläne für kontinuierliche Teleportation hast?

Ja. Nur hier ist Kontinuität in mehreren Bedeutungen zu verstehen. Einerseits haben wir 10 12 Atome in der Arbeit, die Diskretheit der Richtung des kollektiven Spins ist also so gering, dass es möglich ist, den Spin durch kontinuierliche Variablen zu beschreiben. In diesem Sinne war unsere Teleportation kontinuierlich.

Wenn sich der Prozess andererseits zeitlich ändert, können wir von seiner Kontinuität in der Zeit sprechen. Also ich kann folgendes machen. Dieser Prozess hat, sagen wir, eine Art Zeitkonstante – sagen wir, er passiert in Millisekunden, und so habe ich ihn genommen und in Mikrosekunden zerlegt, und der „Boom“ teleportierte sich nach der ersten Mikrosekunde; dann müssen Sie in den Ausgangszustand zurückkehren.

Jede solche Teleportation zerstört natürlich den teleportierten Zustand, jedoch berührt die äußere Erregung, die dieser Vorgang verursacht, nicht. Daher teleportieren wir im Wesentlichen ein bestimmtes Integral. Wir können dieses Integral „erweitern“ und etwas über äußere Anregungen lernen. Eine theoretische Abhandlung, in der all dies vorgeschlagen wird, ist gerade erschienen Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Tatsächlich kann eine solche Teleportation hin und her für sehr tiefe Dinge verwendet werden. Ich habe hier etwas passiert, und hier passiert etwas, und mit Hilfe eines Teleportationskanals kann ich eine Interaktion simulieren - als ob diese beiden Spins, die nie miteinander interagiert haben, tatsächlich interagieren. Das ist so eine Quantensimulation.

Und Quantensimulation ist das, worauf sich jetzt alle stürzen. Anstatt in Millionen von Ziffern einzurechnen, können Sie einfach simulieren. Erinnern Sie sich an dieselbe D-Welle.

Kann deterministische Teleportation in Quantencomputern verwendet werden?

Vielleicht, aber dann müssen die Qubits teleportiert werden. Hier werden bereits alle möglichen Fehlerkorrekturalgorithmen benötigt. Und sie fangen gerade erst an, sich zu entwickeln.

Professor der Fakultät für Physik an der Universität von Calgary (Kanada), Mitglied des Canadian Institute for Higher Studies Alexander Lvovsky versuchte, die Prinzipien der Quantenteleportation und der Quantenkryptographie in einfachen Worten zu erklären.

Schlüssel zum Schloss

Kryptographie ist die Kunst, sicher über einen unsicheren Kanal zu kommunizieren. Das heißt, Sie haben eine bestimmte Leitung, die abgehört werden kann, und Sie müssen eine geheime Nachricht darüber senden, die niemand sonst lesen kann.

Stellen Sie sich beispielsweise vor, wenn Alice und Bob einen sogenannten geheimen Schlüssel haben, nämlich eine geheime Folge von Nullen und Einsen, die sonst niemand hat, können sie mit diesem Schlüssel eine Nachricht verschlüsseln, indem sie die exklusive ODER-Operation verwenden, so dass die Null passt mit null und eins mit eins. Eine solche verschlüsselte Nachricht kann bereits über einen offenen Kanal übertragen werden. Wenn es jemand abfängt, ist es in Ordnung, weil niemand es lesen kann, außer Bob, der eine Kopie des geheimen Schlüssels hat.

In jeder Kryptographie, in jeder Kommunikation, ist die teuerste Ressource eine zufällige Folge von Nullen und Einsen, die nur zwei kommunizierenden Personen gehört. In den meisten Fällen wird jedoch die Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln verwendet. Angenommen, Sie kaufen etwas mit einer Kreditkarte in einem Online-Shop, der ein sicheres HTTPS-Protokoll verwendet. Demnach spricht Ihr Computer mit einem Server, mit dem er noch nie zuvor kommuniziert hat, und er hatte keine Gelegenheit, einen geheimen Schlüssel mit diesem Server auszutauschen.

Das Mysterium dieses Dialogs ergibt sich aus der Lösung eines komplexen mathematischen Problems, insbesondere der Zerlegung in Primfaktoren. Es ist leicht, zwei Primzahlen zu multiplizieren, aber wenn die Aufgabe bereits gegeben ist, ihr Produkt zu finden, zwei Faktoren zu finden, dann ist es schwierig. Wenn die Zahl groß genug ist, werden viele Jahre Berechnungen von einem herkömmlichen Computer erforderlich sein.

Wenn dieser Computer jedoch kein gewöhnlicher, sondern ein Quantencomputer ist, wird er ein solches Problem leicht lösen. Wenn es endlich erfunden ist, wird sich die oben genannte weit verbreitete Methode als nutzlos erweisen, was für die Gesellschaft voraussichtlich katastrophal sein wird.

Wenn Sie sich erinnern, musste der Protagonist im ersten Harry-Potter-Buch durch die Sicherheitskontrolle gehen, um zum Stein der Weisen zu gelangen. Hier gibt es etwas Ähnliches: Für diejenigen, die einen Schutz eingerichtet haben, wird es leicht sein, ihn zu passieren. Es war sehr schwierig für Harry, aber am Ende hat er es doch überwunden.

Dieses Beispiel veranschaulicht die Public-Key-Kryptografie sehr gut. Jemand, der ihn nicht kennt, ist im Prinzip in der Lage, die Botschaften zu entziffern, aber es wird für ihn sehr schwierig sein, und dies wird möglicherweise viele Jahre dauern. Die Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln bietet keine absolute Sicherheit.

Quantenkryptographie

All dies erklärt die Notwendigkeit der Quantenkryptographie. Sie gibt uns das Beste aus beiden Welten. Es gibt eine One-Time-Pad-Methode, die zuverlässig ist, aber andererseits einen "teuren" geheimen Schlüssel erfordert. Damit Alice mit Bob kommunizieren kann, muss sie ihm einen Kurier mit einem Koffer voller Datenträger mit solchen Schlüsseln schicken. Er wird sie nach und nach verbrauchen, da sie jeweils nur einmal verwendet werden können. Auf der anderen Seite haben wir das Public-Key-Verfahren, das „billig“ ist, aber keine absolute Sicherheit bietet.

Die Quantenkryptografie ist einerseits „billig“, sie ermöglicht die sichere Übertragung eines Schlüssels über einen hackbaren Kanal und garantiert andererseits aufgrund der Grundgesetze der Physik Geheimhaltung. Seine Bedeutung besteht darin, Informationen im Quantenzustand einzelner Photonen zu kodieren.

Gemäß den Postulaten der Quantenphysik wird der Quantenzustand in dem Moment, in dem versucht wird, ihn zu messen, zerstört und verändert. Wenn also ein Spion auf der Leitung zwischen Alice und Bob versucht zu lauschen oder zu spähen, wird er unweigerlich den Zustand der Photonen ändern, die Kommunikanten werden bemerken, dass die Leitung abgehört wird, die Kommunikation beenden und Maßnahmen ergreifen.

Im Gegensatz zu vielen anderen Quantentechnologien ist die Quantenkryptografie kommerziell und keine Science-Fiction. Es gibt bereits Unternehmen, die Server herstellen, die an eine herkömmliche Glasfaserleitung angeschlossen sind, über die Sie sicher kommunizieren können.

Funktionsweise eines polarisierenden Strahlteilers

Licht ist eine elektromagnetische Querwelle, die nicht längs, sondern quer schwingt. Diese Eigenschaft wird Polarisation genannt und ist sogar in einzelnen Photonen vorhanden. Sie können verwendet werden, um Informationen zu kodieren. Beispielsweise ist ein horizontales Photon null und ein vertikales Photon eins (dasselbe gilt für Photonen mit Polarisationen von plus 45 Grad und minus 45 Grad).

Alice hat auf diese Weise Informationen verschlüsselt, und Bob muss sie akzeptieren. Dazu wird ein spezielles Gerät verwendet - ein polarisierender Strahlteiler, ein Würfel, der aus zwei zusammengeklebten Prismen besteht. Es überträgt einen horizontal polarisierten Strom und reflektiert einen vertikal polarisierten, wodurch Informationen decodiert werden. Wenn das horizontale Photon Null und das vertikale Photon Eins ist, dann klickt ein Detektor bei einer logischen Null und der andere bei einer Eins.

Aber was passiert, wenn wir ein diagonales Photon senden? Dann beginnt der berühmte Quantenunfall eine Rolle zu spielen. Es ist unmöglich zu sagen, ob ein solches Photon passieren oder reflektiert wird – es wird mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent entweder das eine oder das andere tun. Sein Verhalten vorherzusagen ist prinzipiell unmöglich. Darüber hinaus liegt diese Eigenschaft kommerziellen Zufallszahlengeneratoren zugrunde.

Was tun, wenn wir die Aufgabe haben, Polarisationen von plus 45 Grad und minus 45 Grad zu unterscheiden? Der Strahlteiler muss um die Strahlachse gedreht werden. Dann gilt das Gesetz der Quantenzufälligkeit für Photonen mit horizontaler und vertikaler Polarisation. Diese Eigenschaft ist grundlegend. Wir können nicht fragen, welche Polarisation dieses Photon hat.

Prinzip der Quantenkryptographie

Was ist die Idee hinter der Quantenkryptographie? Angenommen, Alice sendet ein Photon an Bob, das sie entweder horizontal-vertikal oder diagonal kodiert. Bob wirft auch eine Münze und entscheidet zufällig, ob seine Basis horizontal-vertikal oder diagonal sein wird. Wenn ihre Verschlüsselungsmethoden übereinstimmen, erhält Bob die von Alice gesendeten Daten, wenn nicht, dann ist es ein Unsinn. Sie führen diese Operation viele tausend Male durch und „rufen“ dann über einen offenen Kanal an und teilen sich gegenseitig mit, in welchen Stützpunkten sie die Überweisung getätigt haben – wir können davon ausgehen, dass diese Informationen jetzt für jedermann verfügbar sind. Als Nächstes können Bob und Alice Ereignisse aussortieren, bei denen die Grundlagen unterschiedlich waren, und diejenigen belassen, bei denen sie gleich waren (es wird ungefähr die Hälfte davon geben).

Angenommen, ein Spion hat sich in die Leitung geklemmt, der Nachrichten belauschen möchte, aber er muss auch Informationen auf einer bestimmten Basis messen. Stellen Sie sich vor, Alice und Bob haben dasselbe, aber der Spion nicht. In einer Situation, in der die Daten horizontal-vertikal gesendet wurden und der Lauscher die Übertragung diagonal gemessen hat, erhält er einen zufälligen Wert und leitet ein beliebiges Photon an Bob weiter, da er nicht weiß, was es sein soll. Somit wird seine Einmischung bemerkt.

Das größte Problem in der Quantenkryptographie ist der Verlust. Selbst die beste und modernste Faser verursacht 50 Prozent Verlust pro 10-12 Kilometer Kabel. Sagen wir, wir schicken unseren geheimen Schlüssel von Moskau nach St. Petersburg – für 750 Kilometer, und nur eines von einer Milliarde Milliarden Photonen wird das Ziel erreichen. All dies macht die Technologie völlig unpraktisch. Deshalb funktioniert die moderne Quantenkryptographie nur in einer Entfernung von etwa 100 Kilometern. Theoretisch ist bekannt, wie man dieses Problem lösen kann – mit Hilfe von Quanten-Repeatern, aber ihre Implementierung erfordert Quantenteleportation.

Quantenverschränkung

Die wissenschaftliche Definition der Quantenverschränkung ist ein delokalisierter Überlagerungszustand. Klingt kompliziert, aber ein einfaches Beispiel kann gegeben werden. Angenommen, wir haben zwei Photonen: horizontal und vertikal, deren Quantenzustände voneinander abhängig sind. Eine davon schicken wir an Alice und die andere an Bob, die Messungen an einem polarisierenden Strahlteiler durchführen.

Wenn diese Messungen auf der üblichen horizontal-vertikalen Basis durchgeführt werden, ist es klar, dass das Ergebnis korreliert sein wird. Wenn Alice ein horizontales Photon bemerkt hat, wird das zweite natürlich vertikal sein und umgekehrt. Das kann man sich einfacher vorstellen: Wir haben eine blaue und eine rote Kugel, wir versiegeln sie jeweils ungesehen in einem Umschlag und versenden ihn an zwei Empfänger – bekommt der eine rot, bekommt der zweite auf jeden Fall blau.

Aber im Fall der Quantenverschränkung ist die Materie nicht darauf beschränkt. Diese Korrelation findet nicht nur in der horizontal-vertikalen Basis statt, sondern auch in jeder anderen. Wenn beispielsweise Alice und Bob ihre Strahlteiler gleichzeitig um 45 Grad drehen, haben sie wieder eine perfekte Übereinstimmung.

Das ist ein sehr seltsames Quantenphänomen. Nehmen wir an, Alice hat irgendwie ihren Strahlteiler gedreht und ein Photon mit Polarisation α gefunden, das ihn passiert hat. Wenn Bob sein Photon in derselben Basis misst, findet er eine Polarisation von 90 Grad + α.

Am Anfang haben wir also einen Zustand der Verschränkung: Das Photon von Alice ist völlig undefiniert und das Photon von Bob ist völlig undefiniert. Als Alice ihr Photon gemessen hat, einen Wert gefunden hat, wissen wir jetzt genau, welches Photon Bob hat, egal wie weit er entfernt ist. Dieser Effekt wurde immer wieder durch Experimente bestätigt, dies ist keine Fantasie.

Angenommen, Alice hat ein bestimmtes Photon mit der Polarisation α, das sie noch nicht kennt, also in einem unbekannten Zustand. Es gibt keinen direkten Kanal zwischen ihr und Bob. Wenn es einen Kanal gäbe, könnte Alice den Zustand des Photons registrieren und diese Information an Bob übermitteln. Aber es ist unmöglich, den Quantenzustand in einer Messung zu kennen, daher ist diese Methode nicht geeignet. Zwischen Alice und Bob gibt es jedoch ein vorgefertigtes verschränktes Photonenpaar. Aus diesem Grund ist es möglich, Bobs Photon zu zwingen, den Anfangszustand von Alices Photon einzunehmen, das später auf einer bedingten Telefonleitung "angerufen" wird.

Hier ist ein Klassiker (wenn auch ein sehr entferntes Analogon) von all dem. Alice und Bob erhalten jeweils einen roten oder blauen Luftballon in einem Umschlag. Alice möchte Bob Informationen darüber schicken, was sie hat. Dazu muss sie, nachdem sie Bob „angerufen“ hat, die Kugeln vergleichen und ihm sagen „Ich habe die gleiche“ oder „Wir haben verschiedene“. Wenn jemand diese Leitung belauscht, hilft es ihm nicht, ihre Farbe zu erkennen.

Somit gibt es vier Optionen für das Ergebnis von Ereignissen (bedingt, die Empfänger haben blaue Ballons, rote Ballons, rot und blau oder blau und rot). Sie sind interessant, weil sie eine Basis bilden. Wenn wir etwa zwei Photonen mit unbekannter Polarisation haben, dann können wir ihnen „eine Frage stellen“, in welchem ​​dieser Zustände sie sich befinden, und bekommen eine Antwort. Wenn jedoch mindestens eines von ihnen mit einem anderen Photon verschränkt ist, tritt der Effekt der Fernvorbereitung ein, und das dritte, entfernte Photon wird sich in einem bestimmten Zustand „vorbereiten“. Darauf basiert die Quantenteleportation.

Wie funktioniert das alles? Wir haben einen verschränkten Zustand und ein Photon, das wir teleportieren wollen. Alice muss eine angemessene Messung des ursprünglich teleportierten Photons vornehmen und fragen, in welchem ​​​​Zustand sich das andere befindet. Zufällig erhält sie eine von vier möglichen Antworten. Durch den Remote-Cooking-Effekt stellt sich heraus, dass Bobs Photon nach dieser Messung je nach Ergebnis in einen bestimmten Zustand übergegangen ist. Zuvor war er mit Alices Photon verschränkt und befand sich in einem unbestimmten Zustand.

Alice teilt Bob telefonisch ihre Messung mit. Wenn das Ergebnis, sagen wir mal, ψ- ist, dann weiß Bob, dass sein Photon automatisch in diesen Zustand übergegangen ist. Wenn Alice berichtete, dass ihre Messung das Ergebnis ψ+ ergab, dann nahm Bobs Photon die Polarisation -α an. Am Ende des Teleportationsexperiments hat Bob eine Kopie von Alices ursprünglichem Photon, und ihr Photon und Informationen darüber werden dabei zerstört.

Teleportationstechnologie

Jetzt sind wir in der Lage, die Polarisation von Photonen und einige Zustände von Atomen zu teleportieren. Aber wenn sie schreiben, sagen sie, Wissenschaftler haben gelernt, Atome zu teleportieren - das ist eine Täuschung, weil Atome viele Quantenzustände haben, eine unendliche Menge. Bestenfalls haben wir herausgefunden, wie wir ein paar von ihnen teleportieren können.

Meine Lieblingsfrage ist, wann wird die menschliche Teleportation stattfinden? Die Antwort ist nie. Nehmen wir an, wir haben Captain Picard aus der Star Trek-Serie, der von einem Schiff auf die Oberfläche des Planeten teleportiert werden muss. Um dies zu tun, müssen wir, wie wir bereits wissen, ein paar weitere der gleichen Picards herstellen, sie in einen verwirrten Zustand bringen, der alle möglichen Zustände (nüchtern, betrunken, schlafend, rauchend – absolut alles) umfasst, und Messungen vornehmen beide. Es ist klar, wie schwierig und unrealistisch dies ist.

Quantenteleportation ist ein interessantes, aber Laborphänomen. Um die Teleportation von Lebewesen wird es (zumindest in naher Zukunft) nicht gehen. Es kann jedoch in der Praxis verwendet werden, um Quantenrepeater für die Übertragung von Informationen über große Entfernungen zu erstellen.