Nie zuvor erlebte RuNet einen solchen Wissensdurst in der Quantenmechanik 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) zur technologischen Entwicklung Russlands beschränkt sich jedoch nicht auf „Teleportation“, sondern dieser Begriff hat die Aufmerksamkeit sozialer Netzwerke und Medien auf sich gezogen und ist zum Grund dafür geworden viele Witze.

Dann werden die verschränkten Teilchen auf die erforderliche Distanz transportiert – so dass die Photonen A und B an einem Ort bleiben und die Photonen C an einem anderen. Zwischen den beiden Punkten wird ein Glasfaserkabel verlegt. Beachten Sie, dass die maximale Entfernung, in der Quantenteleportation durchgeführt wurde, bereits mehr als 100 km beträgt.

Ziel ist es, den Quantenzustand des unverschlungenen Teilchens A auf Teilchen C zu übertragen. Dazu messen Wissenschaftler die Quanteneigenschaft der Photonen A und B. Die Messergebnisse werden dann in einen Binärcode umgewandelt, der die Unterschiede zwischen den Teilchen A und B angibt .

Dieser Code wird dann über einen herkömmlichen Kommunikationskanal – eine Glasfaser – übertragen, und der Empfänger der Nachricht am anderen Ende des Kabels, der das C-Partikel besitzt, verwendet diese Informationen als Anweisung oder Schlüssel zur Manipulation des C-Partikels Dabei wird mit Hilfe des C-Teilchens A der Zustand wiederhergestellt, den das C-Teilchen hatte. Dadurch kopiert Teilchen C den Quantenzustand von Teilchen A – die Information wird teleportiert.

Warum ist das alles nötig?

Zunächst ist der Einsatz der Quantenteleportation in Quantenkommunikations- und Quantenkryptographietechnologien geplant – die Sicherheit dieser Art der Kommunikation erscheint sowohl für Unternehmen als auch für den Staat attraktiv, und der Einsatz der Quantenteleportation ermöglicht es uns, den Verlust von Informationen zu vermeiden, wenn Photonen bewegen sich entlang einer optischen Faser.

So wurde beispielsweise kürzlich 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 (RCC) arbeitete und in das die Gazprombank und das Ministerium für Bildung und Wissenschaft der Russischen Föderation 450 Millionen Rubel investierten, erwies sich tatsächlich als die erste „städtische“ Quantenkommunikationslinie in Russland.

Eine andere Richtung sind Quantencomputer, bei denen verschränkte Teilchen als Qubits – Einheiten der Quanteninformation – verwendet werden können.

Eine weitere Idee ist das „Quanteninternet“: ein komplettes Kommunikationsnetzwerk, das ausschließlich auf Quantenkommunikation basiert. Um dieses Konzept umzusetzen, müssen Forscher jedoch „lernen, Quantenzustände zwischen Objekten unterschiedlicher physikalischer Natur zu übertragen – Photonen, Atome, Quantenpunkte, supraleitende Schaltkreise usw.“, bemerkte Alexander Lvovsky, Mitarbeiter des RCC und Professor an der Universität Calgary in einem Gespräch mit N+1 .

Beachten Sie, dass Wissenschaftler derzeit hauptsächlich die Zustände von Photonen und Atomen teleportieren; Es war bisher nicht möglich, größere Objekte zu teleportieren.

Quantenteleportation als „dieselbe“ Teleportation

Offenbar und hypothetisch lassen sich mit der Quantenteleportation immer noch Kopien von großen Objekten, darunter auch Menschen, erstellen – schließlich besteht der Körper auch aus Atomen, deren Quantenzustände teleportiert werden können. Beim gegenwärtigen Stand der Technologieentwicklung gilt dies jedoch als unmöglich und wird in den Bereich der Science-Fiction verbannt.

„Wir bestehen aus Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff, mit einem kleinen Zusatz anderer chemischer Elemente. 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 bis auf seine Position im Raum physikalisch nicht vom Original zu unterscheiden sein (identische Quantenteilchen sind schließlich nicht zu unterscheiden). Ich übertreibe natürlich bis zum Äußersten – eine ganze Ewigkeit trennt uns von der menschlichen Teleportation. Der Kern des Problems ist jedoch genau das: Es gibt überall identische Quantenteilchen, aber es ist gar nicht so einfach, sie in den gewünschten Quantenzustand zu bringen“, sagte Alexander Lvovsky im Gespräch mit N+1.

Quantenteleportation ist die Übertragung eines Quantenzustands über eine Distanz. Es ist schwierig, es separat zu erklären; dies kann nur im Zusammenhang mit der gesamten Quantenphysik erfolgen. In seinem Vortrag, der im Rahmen des „Hörsaals 2035“ am VDNKh gehalten wurde, versuchte Alexander Lvovsky, Professor an der Fakultät für Physik der Universität Calgary (Kanada) und Mitglied des Canadian Institute of Higher Studies, zu sprechen in einfacher Sprache über die Prinzipien der Quantenteleportation und Quantenkryptographie. Lenta.ru veröffentlicht Auszüge aus seiner Rede.

Schlüssel zum Schloss

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

Stellen wir uns vor, wenn Alice und Bob beispielsweise einen sogenannten geheimen Schlüssel haben, nämlich eine geheime Folge von Nullen und Einsen, die niemand sonst hat, können sie eine Nachricht mit diesem Schlüssel verschlüsseln, indem sie eine exklusive ODER-Verknüpfung verwenden, sodass die Null entsteht Übereinstimmungen mit Null und Eins mit Eins. Eine solche verschlüsselte Nachricht kann bereits über einen offenen Kanal übertragen werden. Wenn es jemand abfängt, ist das keine große Sache, denn niemand außer Bob, der eine Kopie des geheimen Schlüssels hat, kann es lesen.

In jeder Kryptographie, in jeder Kommunikation ist die teuerste Ressource eine zufällige Folge von Nullen und Einsen, die nur zwei Kommunikationspartnern gehört. In den meisten Fällen wird jedoch die Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln verwendet. Nehmen wir an, Sie kaufen etwas mit einer Kreditkarte in einem Online-Shop, der das sichere HTTPS-Protokoll verwendet. Dadurch kommuniziert Ihr Computer mit einem Server, mit dem er noch nie zuvor kommuniziert hat, und hatte keine Möglichkeit, mit diesem Server einen geheimen Schlüssel auszutauschen.

Das Geheimnis dieses Dialogs wird durch die Lösung eines komplexen mathematischen Problems, insbesondere der Faktorisierung, gewährleistet. Es ist einfach, zwei Primzahlen zu multiplizieren, aber wenn ihr Produkt bereits gegeben ist, ist es schwierig, zwei Faktoren zu finden. Wenn die Zahl groß genug ist, ist ein herkömmlicher Computer für die Berechnung über viele Jahre hinweg erforderlich.

Wenn dieser Computer jedoch kein gewöhnlicher, sondern ein Quantencomputer ist, wird er ein solches Problem leicht lösen. Wenn sie schließlich erfunden wird, wird die oben genannte weit verbreitete Methode unbrauchbar werden, was voraussichtlich katastrophale Folgen für die Gesellschaft haben wird.

Wenn Sie sich erinnern, musste die Hauptfigur im ersten Harry-Potter-Buch die Sicherheitskontrolle passieren, um zum Stein der Weisen zu gelangen. Hier ist etwas Ähnliches: Derjenige, der den Schutz installiert hat, kommt leicht durch. Harry hatte eine sehr schwierige Zeit, aber am Ende hat er sie überwunden.

Dieses Beispiel veranschaulicht die Kryptographie mit öffentlichen Schlüsseln sehr gut. Jemand, der es nicht weiß, könnte im Prinzip in der Lage sein, die Nachrichten zu entschlüsseln, aber das wäre sehr schwierig und würde möglicherweise viele Jahre dauern. Die Public-Key-Kryptographie bietet keine absolute Sicherheit.

Quantenkryptographie

All dies erklärt die Notwendigkeit der Quantenkryptographie. Sie bietet uns das Beste aus beiden Welten. Es gibt eine One-Time-Pad-Methode, die zwar zuverlässig ist, aber andererseits einen „teuren“ Geheimschlüssel erfordert. Damit Alice mit Bob kommunizieren kann, muss sie ihm einen Kurier mit einem Koffer voller Disketten mit solchen Schlüsseln schicken. Er wird sie nach und nach aufbrauchen, da jede davon nur einmal verwendet werden kann. Auf der anderen Seite gibt es die Public-Key-Methode, die „billig“ ist, aber keine absolute Zuverlässigkeit bietet.

Bild: Wissenschaftsmuseum / Globallookpress.com

Die Quantenkryptographie ist einerseits „billig“; sie ermöglicht die sichere Übertragung eines Schlüssels über einen Kanal, der gehackt werden kann, und garantiert andererseits dank 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 er gemessen werden soll, zerstört und verändert. Wenn sich also ein Spion auf der Leitung zwischen Alice und Bob befindet und versucht, abzuhören oder auszuspionieren, wird er unweigerlich den Zustand der Photonen ändern, die kommunizierenden Personen werden bemerken, dass die Leitung angezapft wird, die Kommunikation stoppen und Maßnahmen ergreifen.

Im Gegensatz zu vielen anderen Quantentechnologien ist die Quantenkryptographie kommerziell und keine Science-Fiction. Es gibt bereits Unternehmen, die Server herstellen, die an eine normale Glasfaserleitung angeschlossen werden und mit deren Hilfe Sie eine sichere Kommunikation durchführen können.

Wie funktioniert ein polarisierender Strahlteiler?

Licht ist eine transversale elektromagnetische Welle, die nicht entlang, sondern quer schwingt. Diese Eigenschaft wird Polarisation genannt und ist auch bei einzelnen Photonen vorhanden. Sie können zur Verschlüsselung von Informationen verwendet werden. Beispielsweise ist ein horizontales Photon eine Null und ein vertikales Photon eine Eins (dasselbe gilt für Photonen mit Polarisationen von plus 45 Grad und minus 45 Grad).

Alice hat die Informationen auf diese Weise verschlüsselt und Bob muss sie akzeptieren. Hierzu kommt ein spezielles Gerät zum Einsatz – ein polarisierender Strahlteiler, ein Würfel bestehend aus zwei zusammengeklebten Prismen. Es überträgt horizontal polarisierte Strömungen und reflektiert vertikal polarisierte Strömungen, wodurch Informationen dekodiert werden. Wenn das horizontale Photon Null und das vertikale Photon Eins ist, klickt bei einer logischen Null ein Detektor und bei einer Eins der andere.

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

Was sollen wir tun, wenn wir die Aufgabe haben, Polarisationen von plus 45 Grad und minus 45 Grad zu unterscheiden? Sie müssen den Strahlteiler um die Strahlachse drehen. Dann gilt das Gesetz der Quantenzufälligkeit für Photonen mit horizontaler und vertikaler Polarisation. Diese Eigenschaft ist von grundlegender Bedeutung. Wir können nicht die Frage stellen, welche Polarisation dieses Photon hat.

Foto: Wissenschaftsmuseum / Globallookpress.com

Prinzip der Quantenkryptographie

Was ist die Idee hinter der Quantenkryptographie? Angenommen, Alice schickt Bob ein Photon, das sie entweder horizontal-vertikal oder diagonal kodiert. Bob wirft auch eine Münze und entscheidet zufällig, ob seine Basis horizontal-vertikal oder diagonal sein soll. Wenn ihre Kodierungsmethoden übereinstimmen, erhält Bob die von Alice gesendeten Daten, wenn nicht, dann ist das eine Art Unsinn. Sie führen diesen Vorgang viele tausend Mal durch und „rufen sich dann gegenseitig über einen offenen Kanal an und informieren sich gegenseitig, auf welcher Grundlage sie die Überweisung vorgenommen haben – wir können davon ausgehen, dass diese Informationen jetzt jedem zugänglich sind.“ Als nächstes werden Bob und Alice in der Lage sein, Ereignisse auszusortieren, bei denen die Basen unterschiedlich waren, und diejenigen zu belassen, bei denen sie gleich waren (es wird etwa die Hälfte davon geben).

Nehmen wir an, ein Spion ist in die Leitung eingebrochen und möchte Nachrichten abhören, aber er muss die Informationen auch auf irgendeine Weise messen. Stellen wir uns vor, dass es bei Alice und Bob zusammenfiel, nicht aber bei dem Spion. 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. Auf diese Weise wird sein Eingreifen wahrgenommen.

Das größte Problem der Quantenkryptographie ist der Verlust. Selbst die beste und modernste Glasfaser verursacht 50 Prozent Verluste pro 10-12 Kilometer Kabel. Nehmen wir an, wir schicken unseren geheimen Schlüssel von Moskau nach St. Petersburg – 750 Kilometer, und nur eines von einer Milliarde 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 Quantenrepeatern, ihre Umsetzung erfordert jedoch Quantenteleportation.

Foto: Perry Mastrovito / Globallookpress.com

Quantenverschränkung

Die wissenschaftliche Definition der Quantenverschränkung ist ein delokalisierter Überlagerungszustand. Es klingt kompliziert, aber es kann ein einfaches Beispiel 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, der Messungen an einem Polarisationsstrahlteiler durchführt.

Wenn diese Messungen auf der üblichen horizontal-vertikalen Basis durchgeführt werden, ist klar, dass das Ergebnis korreliert. Wenn Alice ein horizontales Photon bemerkt, ist das zweite natürlich vertikal und umgekehrt. Das kann man sich einfacher vorstellen: Wir haben einen blauen und einen roten Ball, ohne hinzusehen verschließen wir jeden davon in einem Umschlag und schicken ihn an zwei Empfänger – wenn der eine einen roten erhält, bekommt der zweite auf jeden Fall einen blauen.

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

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

Am Anfang haben wir also einen Zustand der Verschränkung: Alices Photon ist völlig unsicher und Bobs Photon ist völlig unsicher. Als Alice ihr Photon gemessen und einen Wert gefunden hat, weiß man nun genau, welches Photon Bob hat, egal wie weit er entfernt ist. Dieser Effekt wurde wiederholt durch Experimente bestätigt; es handelt sich nicht um eine Fantasie.

Quantenteleportation

Nehmen wir an, Alice hat ein bestimmtes Photon mit der Polarisation α, das sie noch nicht kennt, das heißt, es befindet sich 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 Informationen an Bob übermitteln. Es ist jedoch unmöglich, den Quantenzustand in einer Messung zu kennen, daher ist diese Methode nicht geeignet. Allerdings gibt es zwischen Alice und Bob ein vorab angeordnetes verschränktes Photonenpaar. Dadurch ist es möglich, Bobs Photon dazu zu zwingen, den Anfangszustand von Alices Photon anzunehmen und dann über eine herkömmliche Telefonleitung anzurufen.

Hier ist ein klassisches (wenn auch sehr weit entferntes Analogon) von all dem. Alice und Bob erhalten jeweils einen Ball in einem Umschlag – blau oder rot. Alice möchte Bob Informationen darüber schicken, was ihres ist. Dazu muss sie Bob „anrufen“, die Bälle vergleichen und ihm sagen: „Ich habe den gleichen“ oder „Wir haben verschiedene.“ Wenn jemand diese Zeile hört, hilft es ihm nicht, seine Farbe zu kennen.

Wie funktioniert das Ganze? Wir haben einen verschränkten Zustand und ein Photon, das wir teleportieren wollen. Alice muss eine angemessene Messung des ursprünglich teleportierten Photons durchführen und fragen, in welchem ​​Zustand sich das andere befindet. Sie erhält zufällig 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 überging. Zuvor war er mit Alices Photon verwickelt und befand sich in einem unbestimmten Zustand.

Alice erzählt Bob am Telefon, was das Ergebnis ihrer Messungen war. Wenn sich herausstellte, dass das Ergebnis beispielsweise ψ- war, dann weiß Bob, dass sein Photon automatisch in diesen Zustand überführt wurde. Wenn Alice berichtete, dass ihre Messung das Ergebnis ψ+ ergab, dann nahm Bobs Photon die Polarisation -α an. Am Ende des Teleportationsexperiments erhält Bob eine Kopie von Alices ursprünglichem Photon, und ihr Photon und die Informationen darüber werden dabei zerstört.

Teleportationstechnologie

Jetzt können wir die Polarisation von Photonen und einige Zustände von Atomen teleportieren. Aber wenn sie schreiben, dass Wissenschaftler gelernt haben, Atome zu teleportieren, ist das eine Lüge, denn Atome haben viele Quantenzustände, eine unendliche Anzahl. 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 Star Trek, der von einem Schiff aus auf die Oberfläche eines Planeten teleportiert werden muss. Dazu müssen wir, wie wir bereits wissen, noch ein paar derselben Picards herstellen, sie in einen verwickelten Zustand bringen, der alle möglichen Zustände umfasst (nüchtern, betrunken, schlafend, rauchend – absolut alles) und Messungen daran vornehmen beide. Es ist klar, wie schwierig und unrealistisch das ist.

Quantenteleportation ist ein interessantes, aber Laborphänomen. Auf die Teleportation von Lebewesen wird es (zumindest in naher Zukunft) nicht hinauslaufen. In der Praxis lassen sich damit jedoch Quantenrepeater bauen, um Informationen über weite Distanzen zu übertragen.

Eine solche Teleportmaschine wurde im Film „Contact“ gebaut. Mit ihrer Hilfe reiste Jodie Fosters Heldin in eine andere Welt, oder vielleicht auch nicht ...

In den Fantasiewelten, die sich Schriftsteller und Drehbuchautoren vorstellen, ist Teleportation längst zu einem Standardtransportdienst geworden. Es scheint schwierig, eine so schnelle, bequeme und gleichzeitig intuitive Möglichkeit zu finden, sich im Raum zu bewegen.

Die schöne Idee der Teleportation wird auch von Wissenschaftlern unterstützt: Der Begründer der Kybernetik, Norbert Wiener, widmete in seinem Werk „Kybernetik und Gesellschaft“ ein ganzes Kapitel der „Möglichkeit des Reisens mit dem Telegraphen“. Seitdem ist ein halbes Jahrhundert vergangen, und in dieser Zeit sind wir dem Traum der Menschheit von einer solchen Reise fast nahe gekommen: In mehreren Laboren auf der ganzen Welt wurde eine erfolgreiche Quantenteleportation durchgeführt.

Grundlagen

Warum ist Teleportation Quantenteleportation? Tatsache ist, dass Quantenobjekte (Elementarteilchen oder Atome) spezifische Eigenschaften haben, die durch die Gesetze der Quantenwelt bestimmt werden und in der Makrowelt nicht beobachtet werden. Genau diese Eigenschaften von Teilchen dienten als Grundlage für Experimente zur Teleportation.

EPR-Paradoxon

Während der aktiven Entwicklung der Quantentheorie im Jahr 1935 wurde in dem berühmten Werk von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen geschrieben: „Kann eine quantenmechanische Beschreibung der Realität vollständig sein?“ Es wurde das sogenannte EPR-Paradoxon (Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon) formuliert.

Die Autoren zeigten, dass aus der Quantentheorie folgt: Wenn es zwei Teilchen A und B mit einer gemeinsamen Vergangenheit gibt (die nach einer Kollision verstreut werden oder beim Zerfall eines Teilchens entstehen), dann hängt der Zustand von Teilchen B vom Zustand des Teilchens ab A und diese Abhängigkeit sollte sich sofort und in jeder Entfernung manifestieren. Solche Teilchen werden als EPR-Paar bezeichnet und sollen sich in einem „verschränkten“ Zustand befinden.

Erinnern wir uns zunächst daran, dass ein Teilchen in der Quantenwelt ein probabilistisches Objekt ist, das heißt, es kann sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden – zum Beispiel kann es nicht nur „schwarz“ oder „weiß“ sein, sondern auch "grau". Bei der Messung eines solchen Teilchens werden wir jedoch immer nur einen der möglichen Zustände sehen – „schwarz“ oder „weiß“, und zwar mit einer gewissen vorhersehbaren Wahrscheinlichkeit, und alle anderen Zustände werden zerstört. Darüber hinaus kann man aus zwei Quantenteilchen einen so „verschränkten“ Zustand erzeugen, dass alles noch interessanter wird: Wenn sich herausstellt, dass eines von ihnen bei der Messung „schwarz“ ist, ist das andere mit Sicherheit „weiß“ und umgekehrt !

Um zu verstehen, was das Paradoxon ist, führen wir zunächst ein Experiment mit makroskopischen Objekten durch. Nehmen wir zwei Kartons, in denen sich jeweils zwei Bälle befinden – schwarz und weiß. Und wir werden eine dieser Kisten zum Nordpol und die andere zum Südpol bringen.

Wenn wir eine der Kugeln am Südpol (zum Beispiel schwarz) herausnehmen, hat dies keinerlei Einfluss auf das Ergebnis der Wahl am Nordpol. Es ist überhaupt nicht notwendig, dass wir in diesem Fall genau auf die weiße Kugel stoßen. Dieses einfache Beispiel bestätigt, dass es unmöglich ist, das EPR-Paradoxon in unserer Welt zu beobachten.

Doch 1980 zeigte Alan Aspect experimentell, dass das EPR-Paradoxon in der Quantenwelt tatsächlich auftritt. Spezielle Messungen des Zustands der EPR-Teilchen A und B zeigten, dass das EPR-Paar nicht nur durch eine gemeinsame Vergangenheit verbunden ist, sondern dass Teilchen B irgendwie sofort „weiß“, wie Teilchen A gemessen wurde (welche Eigenschaften gemessen wurden) und was das Ergebnis war . Wenn wir über die oben erwähnten Kisten mit vier Kugeln sprechen würden, würde das bedeuten, dass wir, nachdem wir am Südpol eine schwarze Kugel herausgenommen haben, am Nordpol unbedingt eine weiße herausnehmen müssen! Es gibt jedoch keine Wechselwirkung zwischen A und B und eine überluminale Signalübertragung ist unmöglich! In nachfolgenden Experimenten wurde die Existenz des EPR-Paradoxons bestätigt, selbst wenn die Teilchen des EPR-Paars in einem Abstand von etwa 10 km voneinander entfernt waren.

Diese aus der Sicht unserer Intuition völlig unglaublichen Experimente lassen sich leicht durch die Quantentheorie erklären. Schließlich handelt es sich bei einem EPR-Paar genau um zwei Teilchen in einem „verschränkten“ Zustand, was bedeutet, dass das Ergebnis der Messung beispielsweise von Teilchen A das Ergebnis der Messung von Teilchen B bestimmt.

Interessanterweise betrachtete Einstein das vorhergesagte Verhalten von Teilchen in EPR-Paaren als „die Wirkung von Dämonen aus der Ferne“ und war sich sicher, dass das EPR-Paradoxon erneut die Inkonsistenz der Quantenmechanik demonstriert, die der Wissenschaftler nicht akzeptieren wollte. Er glaubte, dass die Erklärung für das Paradoxon nicht überzeugend sei, denn „wenn der Beobachter gemäß der Quantentheorie das Beobachtete erschafft oder teilweise erschaffen kann, dann kann eine Maus das Universum einfach durch bloßes Betrachten neu erschaffen.“

Teleportationsexperimente

1993 fanden Charles Bennett und seine Kollegen heraus, wie man die bemerkenswerten Eigenschaften von EPR-Paaren nutzen kann: Sie erfanden eine Möglichkeit, den Quantenzustand eines Objekts mithilfe eines EPR-Paares auf ein anderes Quantenobjekt zu übertragen, und nannten diese Methode Quantenteleportation. Und 1997 führte eine Gruppe von Experimentatoren unter der Leitung von Anton Zeilinger erstmals eine Quantenteleportation des Zustands eines Photons durch. Das Teleportationsschema wird im Einschub ausführlich beschrieben.

Einschränkungen und Frustrationen

Grundsätzlich ist es wichtig, dass es sich bei der Quantenteleportation nicht um die Übertragung eines Objekts, sondern nur um den unbekannten Quantenzustand eines Objekts auf ein anderes Quantenobjekt handelt. Der Quantenzustand des teleportierten Objekts bleibt für uns nicht nur ein Rätsel, er wird auch unwiderruflich zerstört. Was wir aber absolut sicher sein können, ist, dass wir den identischen Zustand eines anderen Objekts an einem anderen Ort erhalten haben.

Diejenigen, die erwartet haben, dass die Teleportation augenblicklich erfolgt, werden enttäuscht sein. Nach Bennetts Methode erfordert eine erfolgreiche Teleportation einen klassischen Kommunikationskanal, was bedeutet, dass die Teleportationsgeschwindigkeit die Datenübertragungsgeschwindigkeit über einen regulären Kanal nicht überschreiten darf.

Und es ist noch völlig unbekannt, ob es möglich sein wird, von der Teleportation der Zustände von Teilchen und Atomen zur Teleportation makroskopischer Objekte überzugehen.

Anwendung

Schnell wurde eine praktische Anwendung für die Quantenteleportation gefunden – dabei handelt es sich um Quantencomputer, bei denen Informationen in Form einer Reihe von Quantenzuständen gespeichert werden. Hier erwies sich die Quantenteleportation als ideale Methode der Datenübertragung, die das Abfangen und Kopieren übertragener Informationen grundsätzlich ausschließt.

Wird die Person an der Reihe sein?

Trotz aller modernen Fortschritte auf dem Gebiet der Quantenteleportation bleiben die Aussichten für die menschliche Teleportation sehr vage. Natürlich möchte ich glauben, dass den Wissenschaftlern etwas einfällt. Bereits 1966 schrieb Stanislav Lem in dem Buch „Sum of Technology“: „Wenn es uns gelingt, Napoleon aus Atomen zu synthetisieren (vorausgesetzt, wir verfügen über ein „atomares Inventar“), dann wird Napoleon eine lebende Person sein.“ Wenn Sie einer Person eine solche Bestandsaufnahme abnehmen und sie „per Telegraf“ an ein Empfangsgerät übermitteln, dessen Ausrüstung auf der Grundlage der empfangenen Informationen den Körper und das Gehirn dieser Person nachbildet, wird sie aus dem Empfangsgerät herauskommen Gerät lebendig und gesund.“

Allerdings ist die Praxis in diesem Fall viel komplizierter als die Theorie. Es ist also unwahrscheinlich, dass Sie und ich per Teleportation um die Welt reisen müssen, geschweige denn mit garantierter Sicherheit, denn nur ein Fehler genügt, und Sie können sich in eine bedeutungslose Ansammlung von Atomen verwandeln. Der erfahrene galaktische Inspektor aus dem Roman von Clifford Simak weiß viel darüber und ist nicht umsonst der Meinung, dass „wer die Übertragung von Materie über eine Distanz unternimmt, sollte zunächst lernen, es richtig zu machen.“

Aus physikalischer Sicht ist es sehr einfach, einen Panzer von Punkt A nach Punkt B zu teleportieren. Sie müssen einen Tank an Punkt A nehmen, alle seine Elemente messen, Zeichnungen anfertigen und diese an Punkt B senden. Dann an Punkt B anhand dieser Zeichnungen denselben Tank zusammenbauen. Bei Quantenobjekten ist die Situation jedoch viel komplizierter.

Alles auf dieser Welt besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen, aber alle diese Elemente sind unterschiedlich zusammengesetzt und bewegen sich unterschiedlich. Wissenschaftlich gesehen befinden sie sich in unterschiedlichen Quantenzuständen. Und selbst wenn wir eine Maschine hätten, die einzelne Teilchen manipulieren könnte: Atome aus ihnen zusammensetzen, Moleküle aus Atomen, wären wir noch nicht einmal in der Lage, eine Amöbe zu teleportieren. Tatsache ist, dass es bei kleinen Quantenobjekten unmöglich ist, alle ihre Parameter gleichzeitig zu messen: Wir könnten einen Quantentank immer noch in Teile zerlegen, aber wir können sie nicht mehr messen.

Dies ist das Problem, das die Quantenteleportation löst. Damit können Sie die Eigenschaften eines Objekts auf ein anderes leeres Objekt übertragen: den Quantenzustand eines Atoms auf ein anderes Atom, die Geschwindigkeit und Koordinaten eines Elektrons auf ein anderes Elektron. Die Idee dahinter ist, dass wir, ohne zu wissen, in welchem ​​Zustand sich das ursprüngliche Atom befindet, ein anderes Atom in denselben unbekannten, aber spezifischen Zustand versetzen können. In diesem Fall ändert sich zwar der Zustand des ersten Atoms irreversibel, und nachdem wir eine Kopie erhalten haben, verlieren wir das Original.

2

Teleportation ist also die Übertragung eines Zustands vom Original auf ein leeres Atom. Dazu nehmen Physiker spezielle Zwillingsteilchen. Für diese Rolle eignet sich am besten ein Paar roter Photonen, die durch den Zerfall eines violetten Photons entstehen. Diese Zwillingsphotonen haben eine einzigartige Quanteneigenschaft: Egal wie weit sie voneinander entfernt sind, sie spüren einander immer noch. Sobald sich der Zustand eines der Photonen ändert, ändert sich sofort der Zustand des anderen.

Um also einen Quantenzustand von Punkt A nach Punkt B zu teleportieren, werden diese beiden Photonen aufgenommen. Einer geht zu Punkt A, der andere zu Punkt B. Das Photon an Punkt A interagiert mit einem Atom, dessen Zustand auf Punkt B übertragen werden muss. Das Photon fungiert hier als DHL-Kurier – es kam zum Atom, nahm es mit Paket mit Dokumenten entnimmt und ihm diese Dokumente für immer vorenthält, sondern die notwendigen Informationen sammelt, woraufhin er in den Lastwagen steigt und die Dokumente mitnimmt. An Punkt B empfängt das Paket ein weiteres Photon und bringt es zu seinem neuen Besitzer.

Am Punkt B werden mit dem zweiten Photon spezielle Transformationen durchgeführt, und dieses Photon interagiert dann mit dem zweiten leeren Atom, auf das der gewünschte Quantenzustand übertragen wird. Dadurch wird aus dem leeren Atom ein Atom von Punkt A. Das war's, die Quantenteleportation hat stattgefunden.

Von der menschlichen Teleportation ist die Physik noch sehr weit entfernt, den Geheimdiensten und Sicherheitsdiensten aber schon. Durch Teleportation von Quantenzuständen können hochsensible Informationen übertragen werden. Die Informationen werden durch den Quantenzustand des Photons kodiert, woraufhin der Zustand von einem Spion zum anderen teleportiert wird. Wenn ein feindlicher Spion versucht, die Informationen abzufangen, muss er den Zustand des Photons messen, was zu irreversiblen Schäden und Fehlern führt. Unsere Spione werden diese Fehler sofort bemerken und vermuten, dass der Feind sie belauscht. All dies nennt man Quantenkryptographie.

Was ist Quantenverschränkung in einfachen Worten? Teleportation – ist das möglich? Wurde die Möglichkeit der Teleportation experimentell nachgewiesen? Was ist Einsteins Albtraum? In diesem Artikel erhalten Sie Antworten auf diese Fragen.

Teleportation begegnet uns häufig in Science-Fiction-Filmen und -Büchern. Haben Sie sich jemals gefragt, warum das, was sich Autoren ausgedacht haben, schließlich zu unserer Realität wird? Wie schaffen sie es, die Zukunft vorherzusagen? Ich denke, das ist kein Unfall. Science-Fiction-Autoren verfügen oft über umfassende Kenntnisse der Physik und anderer Wissenschaften, die ihnen in Kombination mit ihrer Intuition und außergewöhnlichen Vorstellungskraft dabei helfen, eine retrospektive Analyse der Vergangenheit zu erstellen und zukünftige Ereignisse zu simulieren.

Aus dem Artikel erfahren Sie:

• Was ist Quantenverschränkung?

Konzept "Quantenverschränkung" entstand aus einer theoretischen Annahme, die sich aus den Gleichungen der Quantenmechanik ergab. Das bedeutet Folgendes: Wenn sich herausstellt, dass zwei Quantenteilchen (es können Elektronen oder Photonen sein) voneinander abhängig (verschränkt) sind, bleibt die Verbindung bestehen, auch wenn sie in verschiedene Teile des Universums getrennt sind

Die Entdeckung der Quantenverschränkung trägt in gewisser Weise zur Erklärung der theoretischen Möglichkeit der Teleportation bei.

Kurz gesagt also drehen eines Quantenteilchens (Elektron, Photon) nennt man seinen Eigendrehimpuls. Der Spin kann als Vektor und das Quantenteilchen selbst als mikroskopischer Magnet dargestellt werden.

Es ist wichtig zu verstehen, dass, wenn niemand ein Quant, zum Beispiel ein Elektron, beobachtet, es alle Spinwerte gleichzeitig hat. Dieses grundlegende Konzept der Quantenmechanik wird „Superposition“ genannt.

Stellen Sie sich vor, Ihr Elektron dreht sich gleichzeitig im und gegen den Uhrzeigersinn. Das heißt, er befindet sich in beiden Spin-Zuständen gleichzeitig (Vektor-Spin-Up/Vektor-Spin-Down). Eingeführt? OK. Doch sobald ein Beobachter auftaucht und seinen Zustand misst, bestimmt das Elektron selbst, welchen Spinvektor es annehmen soll – nach oben oder nach unten.

Möchten Sie wissen, wie der Elektronenspin gemessen wird? Es wird in ein Magnetfeld gebracht: Elektronen mit Spin entgegengesetzt zur Feldrichtung und mit Spin in Feldrichtung werden in verschiedene Richtungen abgelenkt. Photonenspins werden gemessen, indem man sie in einen Polarisationsfilter lenkt. Wenn der Spin (oder die Polarisation) des Photons „-1“ ist, dann passiert es den Filter nicht, und wenn er „+1“ ist, dann passiert es den Filter.

Zusammenfassung. Sobald Sie den Zustand eines Elektrons gemessen und festgestellt haben, dass sein Spin „+1“ ist, nimmt das damit verbundene oder „verschränkte“ Elektron einen Spinwert von „-1“ an. Und zwar sofort, selbst wenn er auf dem Mars ist. Allerdings hatte es vor der Zustandsmessung des 2. Elektrons beide Spinwerte gleichzeitig („+1“ und „-1“).

Dieses mathematisch bewiesene Paradox gefiel Einstein nicht besonders. Weil es seiner Entdeckung widersprach, dass es keine Geschwindigkeit gibt, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Aber das Konzept der verschränkten Teilchen hat sich bewährt: Wenn sich eines der verschränkten Teilchen auf der Erde und das zweite auf dem Mars befindet, dann sendet das erste Teilchen in dem Moment, in dem sein Zustand gemessen wird, sofort (schneller als die Lichtgeschwindigkeit) an das 2. Teilcheninformation, welchen Spinwert sie annehmen soll. Nämlich: die gegenteilige Bedeutung.

Einsteins Streit mit Bohr. Wer hat Recht?

Einstein nannte „Quantenverschränkung“ SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (deutsch) oder beängstigende, gespenstische, übernatürliche Aktion aus der Ferne.

Einstein war mit Bohrs Interpretation der Quantenteilchenverschränkung nicht einverstanden. Weil es widersprach seiner Theorie, dass Informationen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können. 1935 veröffentlichte er einen Artikel, in dem er ein Gedankenexperiment beschrieb. Dieses Experiment wurde „Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon“ genannt.

Einstein stimmte zu, dass gebundene Teilchen existieren könnten, lieferte jedoch eine andere Erklärung für die augenblickliche Informationsübertragung zwischen ihnen. Er sagte „verschränkte Teilchen“ eher wie ein Paar Handschuhe. Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein Paar Handschuhe. Den linken packst du in einen Koffer, den rechten in den zweiten. Sie haben den ersten Koffer an einen Freund geschickt und den zweiten an den Mond. Wenn der Freund den Koffer erhält, weiß er, dass der Koffer entweder einen linken oder einen rechten Handschuh enthält. Wenn er den Koffer öffnet und sieht, dass sich darin ein linker Handschuh befindet, weiß er sofort, dass sich auf dem Mond ein rechter Handschuh befindet. Und das bedeutet nicht, dass der Freund die Tatsache beeinflusst hat, dass der linke Handschuh im Koffer ist, und bedeutet nicht, dass der linke Handschuh sofort Informationen an den rechten übermittelt hat. Dies bedeutet lediglich, dass die Eigenschaften der Handschuhe vom Moment der Trennung an ursprünglich gleich waren. Diese. Verschränkte Quantenteilchen enthalten zunächst Informationen über ihren Zustand.

Wer hatte also recht, als Bohr glaubte, dass gebundene Teilchen einander sofort Informationen übermitteln, selbst wenn sie über weite Entfernungen voneinander entfernt sind? Oder Einstein, der glaubte, dass es keinen übernatürlichen Zusammenhang gebe und alles schon lange vor dem Moment der Messung vorbestimmt sei.

Diese Debatte bewegte sich 30 Jahre lang im Bereich der Philosophie. Wurde der Streit seitdem beigelegt?

Satz von Bell. Ist der Streit gelöst?

John Clauser entdeckte 1967, noch als Doktorand an der Columbia University, das vergessene Werk des irischen Physikers John Bell. Es war eine Sensation: Es stellte sich heraus Bell gelang es, die Pattsituation zwischen Bohr und Einstein zu überwinden.. Er schlug vor, beide Hypothesen experimentell zu testen. Zu diesem Zweck schlug er den Bau einer Maschine vor, die viele Paare verschränkter Teilchen erzeugen und vergleichen würde. John Clauser begann mit der Entwicklung einer solchen Maschine. Seine Maschine konnte Tausende Paare verschränkter Teilchen erzeugen und diese anhand verschiedener Parameter vergleichen. Die experimentellen Ergebnisse bewiesen, dass Bohr Recht hatte.

Und bald führte der französische Physiker Alain Aspe Experimente durch, von denen eines den Kern des Streits zwischen Einstein und Bohr betraf. In diesem Experiment könnte sich die Messung eines Teilchens nur dann direkt auf ein anderes auswirken, wenn das Signal vom 1. zum 2. mit einer Geschwindigkeit über der Lichtgeschwindigkeit verläuft. Aber Einstein selbst hat bewiesen, dass dies unmöglich ist. Es blieb nur eine Erklärung übrig – eine unerklärliche, übernatürliche Verbindung zwischen den Teilchen.

Die experimentellen Ergebnisse bewiesen, dass die theoretische Annahme der Quantenmechanik richtig ist. Quantenverschränkung ist Realität ( Quantenverschränkung Wikipedia). Quantenteilchen können trotz großer Entfernungen verbunden werden. Die Messung des Zustands eines Teilchens beeinflusst den Zustand des zweiten weit entfernten Teilchens, als ob der Abstand zwischen ihnen nicht vorhanden wäre. Übernatürliche Fernkommunikation findet tatsächlich statt.

Bleibt die Frage: Ist Teleportation möglich?

Wird die Teleportation experimentell bestätigt?

Im Jahr 2011 waren japanische Wissenschaftler die ersten weltweit, die Photonen teleportierten! Ein Lichtstrahl wurde augenblicklich von Punkt A nach Punkt B bewegt.

Wenn Sie möchten, dass alles, was Sie über Quantenverschränkung gelesen haben, in 5 Minuten geklärt ist, schauen Sie sich dieses wunderbare Video an.

Bis bald!

Ich wünsche Ihnen allen interessante, inspirierende Projekte!

P.S. Wenn der Artikel für Sie nützlich und verständlich war, vergessen Sie nicht, ihn zu teilen.

P.S. Schreiben Sie Ihre Gedanken und Fragen in die Kommentare. Welche weiteren Fragen zur Quantenphysik interessieren Sie?

P.S. Abonnieren Sie den Blog – Anmeldeformular unter dem Artikel.