Runetti ei ole koskaan kokenut niin suurta tiedon janoa kvanttimekaniikan alalla kuin sen jälkeen, kun Kommersant-sanomalehdessä julkaistiin artikkeli, jossa mainittiin suunnitelmat ottaa käyttöön "teleportaatio" Venäjällä. Strategisten aloitteiden viraston (ASI) ohjelma Venäjän teknologiselle kehitykselle ei kuitenkaan rajoitu "teleportaatioon", mutta juuri tämä termi herätti sosiaalisten verkostojen ja tiedotusvälineiden huomion ja siitä tuli syy monille. vitsit.

Sitten kietoutuvat hiukkaset erotetaan vaaditulle etäisyydelle - niin, että fotonit A ja B jäävät yhteen paikkaan ja C. Näiden kahden pisteen väliin vedetään valokaapeli. Huomaa, että suurin etäisyys, jolla kvanttiteleportaatio suoritettiin, on jo yli 100 km.

Tehtävänä on siirtää kietoutumattoman hiukkasen A kvanttitila hiukkaselle C. Tätä varten tutkijat mittaavat fotonien A ja B kvanttiominaisuutensa. Mittaustulokset muunnetaan sitten binäärikoodiksi, joka kertoo niiden välisistä eroista. hiukkasia A ja B.

Tämä koodi lähetetään sitten perinteisen viestintäkanavan, optisen kuidun kautta, ja kaapelin toisessa päässä oleva viestin vastaanottaja, jolla on C-hiukkanen, käyttää tätä tietoa ohjeena tai avaimena käsitelläkseen C-hiukkasta. olemus, palauttamalla C-hiukkasen tilaan, joka oli C-hiukkasella. hiukkanen A. Tämän seurauksena hiukkanen C kopioi hiukkasen A kvanttitilan - tieto teleportoidaan.

Mitä varten tämä kaikki on?

Ensinnäkin kvanttiteleportaatiota suunnitellaan käytettäväksi kvanttiviestinnässä ja kvanttisalausteknologioissa - tämän tyyppisen viestinnän turvallisuus näyttää houkuttelevalta sekä liike-elämän että valtion kannalta, ja kvanttiteleportaation käyttö mahdollistaa tiedonhäviön välttämisen fotonien vaikutuksesta. liikkua optista kuitua pitkin.

Esimerkiksi hiljattain tuli tunnetuksi onnistuneesta kvanttitiedon siirrosta kahden Moskovan Gazprombankin konttorin välillä 30,6 kilometriä valokuitua pitkin. Projekti, jossa Venäjän kvanttikeskus (RKC) työskenteli ja johon Gazprombank ja Venäjän federaation opetus- ja tiedeministeriö sijoittivat 450 miljoonaa ruplaa, osoittautui itse asiassa ensimmäiseksi "kaupunki" kvanttiviestintälinjaksi Venäjällä.

Toinen suunta ˜ ovat kvanttitietokoneet, joissa kietoutuneita hiukkasia voidaan käyttää kubitteina – kvanttitiedon yksikköinä.

Toinen idea on "kvanttiinternet": kokonainen viestintäverkko, joka perustuu yksinomaan kvanttiviestintään. Tämän konseptin toteuttamiseksi tutkijoiden on kuitenkin "opeteltava siirtämään kvanttitiloja erilaisten fysikaalisten objektien välillä - fotonien, atomien, kvanttipisteiden, suprajohtavien piirien ja niin edelleen", sanoi RCC:n työntekijä Alexander Lvovsky. Calgaryn yliopiston professori keskustelussa N + 1 -julkaisun kanssa.

Huomaa, että tällä hetkellä tiedemiehet teleporttuvat fotonien ja atomien perustiloihin; suurempia esineitä ei ole vielä teleportoitu.

Kvanttiteleportaatio "sama" teleportaationa

Ilmeisesti hypoteettisesti kvanttiteleportaatiolla voidaan edelleen luoda kopioita suurista esineistä, myös ihmisistä - loppujen lopuksi keho koostuu myös atomeista, joiden kvanttitilat voidaan teleportoida. Teknologisen kehityksen nykyisessä vaiheessa tätä pidetään kuitenkin mahdottomana, ja se johtuu fantasiamaailmasta.

”Meidät koostuvat hapesta, vedystä ja hiilestä sekä vähän muita kemiallisia alkuaineita. Jos keräämme tarvittavan määrän atomeja tarvittavista alkuaineista ja saatamme ne sitten teleportaation avulla tilaan, joka on identtinen niiden tilan kanssa teleportoidun henkilön kehossa, saamme saman henkilön. Se on fyysisesti mahdoton erottaa alkuperäisestä paitsi sen sijainti avaruudessa (identtiset kvanttihiukkaset eivät ole erotettavissa). Tietysti liioittelen äärimmilleen - koko ikuisuus erottaa meidät ihmisten teleportaatiosta. Asian ydin on kuitenkin juuri tämä: identtisiä kvanttihiukkasia löytyy kaikkialta, mutta niitä ei ole ollenkaan helppoa saattaa haluttuun kvanttitilaan ”, Aleksanteri Lvovsky sanoi haastattelussa N + 1:lle.

Noin 1200 kilometrin etäisyydellä - maan ja avaruuden välillä! Tutkijat aikovat myös suorittaa samanlaisia ​​kokeita kvanttiteleportaatiosta Maan ja Kuun välillä.

Teleportaatio... Sana tieteiskirjoista, tarinoista avaruusseikkailuista, joissa sankarit ylittävät jättimäisiä etäisyyksiä sekunneissa teleportterin avulla. Kvanttiteleportaatiolla ei ole mitään tekemistä esineiden todellisen liikkeen kanssa. Mikä se siinä tapauksessa on ja miksi sitä kutsutaan sellaiseksi? Tietoja kvanttiteleportaatiosta AiF.ru kertoi ammattikorkeakoulun fysiikan laboratorion johtaja Juri Mikhailovsky:

"Sinun on ymmärrettävä, että kvanttiteleportaatiossa esine ei liiku paikasta avaruudessa toiseen, kuten teleportaatiossa sanan tavallisessa merkityksessä. Kvanttiteleportaation avulla ei itse objekti teleportoi, eli se liikkuu välittömästi, vaan tämän kohteen tila! Karkeasti sanottuna meillä on tietty objekti, jolla on tietty tila ja kvanttiteleportaation avulla voimme siirtää tämän tilan toiseen paikkaan niin, että sinne ilmestyy esine jolla on samat ominaisuudet. (Kiinassa hiukkasten tila kahden maan pisteen välillä välitetään avaruussatelliitin avulla, joka aiotaan laittaa kiertoradalle tämän kokeen vuoksi - toim.) Mutta kohteesta - ehdollisesti. Selitän: nyt emme tiedä kuinka siirtää monimutkaisten objektien tilaa. Kyse on yksittäisten atomien tai fotonien tilan välittämisestä, ei sen enempää.

Kvanttiteleportaation toteuttamiseksi sinun on luotava kvanttikietoutunut pari. Yksinkertaisuuden vuoksi puhumme yhdestä tilasta, hiukkasen spinin tilasta. Se voi olla kahdessa tilassa: pyörii ylös ja alas. Yritämme välittää nämä tilat. Joten yritämme luoda niin sanotun kvanttikietoutuvan parin (yleensä valofotoniparin). Se on järjestetty siten, että niiden kokonaiskierros on nolla. Toisin sanoen yhdellä fotonilla on spin ylös, toisella spin alas, kun luomme tämän parin, niiden summa on nolla. Samaan aikaan emme vain tiedä, mihin fotonit katsovat, vaan myös fotonit eivät itse tiedä, mihin suuntaan niiden spinit ovat suunnattu. Ne ovat niin sanotussa sekatilassa, määrittelemättömästi. Ehkä pyörii ylös, ehkä alas, kukaan ei tiedä ennen kuin mittaus on tehty.

Mutta meillä on takuu, että jos mittaamme yhden spinin ja se näyttää ylöspäin, toisen fotonin spin näyttää alas. Otetaan nyt kaksi sotkeutunutta fotonia ja levitetään ne pitkän matkan, esimerkiksi kilometrin päähän. Ja tässä otetaan yksi fotoneista ja mitataan sen tila. Määritämme, että sillä on spin ylös, ja tällä hetkellä yhden kilometrin etäisyydellä toisen sekafotonin spin muuttuu tilaan, jossa spin on alaspäin. Mittaamalla yhden fotonin muutimme toisen fotonin tilaa.

Yleensä näitä kahta sotkeutunutta fotonia kutsutaan nimellä Ansila ja Bob.

Tätä kvanttiketumisen vaikutusta käytetään teleportaatioon. Meillä on spin, jonka haluaisimme teleportoida, sitä kutsutaan yleensä nimellä Alice. Joten Liisen ja Ansilan kokonaisspin mitataan, ja tällä hetkellä Bob saa Liisa-tilan tai konjugaatin siihen (vastakohta). Kummasta, opimme mittaustuloksesta. Sen jälkeen meidän on siirrettävä nämä tiedot tavanomaisen viestintäkanavan kautta. Pitäisikö Bob kääntää vai ei.

Jos esimerkiksi lähetämme 10 kierroksen tilat, teleportaation suorittamiseksi on tarpeen lähettää viesti, kuten: "Vaihda vastakkaisiin tiloihin 1, 3, 5, 6 ja 8".

Näin kvanttiteleportaatio toimii.

Avaintutkimus, joka todistaa fotonien kvanttiteleportaation perustavanlaatuisen mahdollisuuden.

Tämä on välttämätöntä perustavanlaatuisen fysikaalisen perustelun kannalta geneettisen ja metabolisen tiedon etäkääntämisen perustavanlaatuiselle mahdollisuudelle käyttämällä polarisoituja (pyöriviä) fotoneja. Todisteet, jotka soveltuvat sekä in vitro (laserilla) että in vivo -translaatioon, ts. itse biosysteemissä solujen välillä.

Kokeellinen kvanttiteleportaatio

Kvanttiteleportaatio on kokeellisesti osoitettu - kvanttijärjestelmän tilan siirto ja palauttaminen millä tahansa mielivaltaisella etäisyydellä. Teleportaatioprosessissa ensisijainen fotoni polarisoituu, ja tämä polarisaatio on etälähetetty tila. Tässä tapauksessa sotkeutuneiden fotonien pari on mittauskohde, jossa kietoutuvan parin toinen fotoni voi olla mielivaltaisen kaukana alkuperäisestä. Kvanttiteleportaatio tulee olemaan avainelementti kvanttilaskentaverkoissa.

Teleportaation unelma on unelma matkustamisesta yksinkertaisesti esiintymällä jonkin matkan päässä. Teleportaation kohde voidaan täysin luonnehtia sen ominaisuuksilla klassisen fysiikan avulla mittausten avulla. Jotta tästä esineestä voidaan tehdä kopio jonkin matkan päästä, sen osia tai fragmentteja ei tarvitse siirtää sinne. Tällaiseen siirtoon tarvitaan vain objektista otetut täydelliset tiedot, joita voidaan käyttää objektin uudelleenluomiseen. Mutta kuinka tarkkoja näiden tietojen on oltava, jotta voidaan luoda tarkka kopio alkuperäisestä? Entä jos näitä osia ja fragmentteja edustavat elektronit, atomit ja molekyylit? Mitä tapahtuu niiden yksittäisille kvanttiominaisuuksille, joita Heisenbergin epävarmuusperiaatteen mukaan ei voida mitata mielivaltaisella tarkkuudella?
Bennett ym. osoittivat, että hiukkasen kvanttitila on mahdollista siirtää toiseen, ts. kvanttiteleportaatioprosessi, joka ei takaa minkään tiedon välittämistä tästä tilasta lähetysprosessissa. Tämä vaikeus voidaan poistaa käyttämällä kietoutumisperiaatetta kvanttimekaniikan erityisominaisuutena. Se kartoittaa kvanttijärjestelmien väliset korrelaatiot paljon tiukemmin kuin mikään klassinen korrelaatio voi tehdä. Kyky siirtää kvanttiinformaatiota on yksi aaltokvanttiviestinnän ja kvanttilaskennan perusrakenteista. Vaikka kvanttiinformaation käsittelyn kuvauksessa edistytään nopeasti, kvanttijärjestelmien hallinnan vaikeudet eivät mahdollista riittävää edistystä uusien ehdotusten kokeellisessa toteutuksessa. Vaikka emme lupaakaan nopeaa kehitystä kvanttisalauksessa (ensisijaiset näkökohdat salaisen tiedon siirtämisessä), olemme aiemmin vain onnistuneesti osoittaneet kvanttitiheyden koodauksen mahdollisuuden kvanttimekaanisen tiedon pakkaamisen tehostamiseen. Pääsyy tähän hitaaseen kokeelliseen edistymiseen on se, että vaikka on olemassa menetelmiä kietoutuneiden fotoniparien muodostamiseksi, atomien kietoutuneita tiloja ollaan vasta alkamassa tutkia, eivätkä ne ole sen enempää mahdollisia kuin kietoutuneet tilat kahdelle kvantille.
Täällä julkaisemme ensimmäisen kvanttiteleportaation kokeellisen verifioinnin. Luomalla kietoutuneiden fotonien pareja käyttämällä parametrista alasmuunnosprosessia ja myös käyttämällä kahden fotonin interferometriaa kietoutumisprosessin analysointiin, voimme siirtää kvanttiominaisuudet (tässä tapauksessa polarisaatiotilan) fotonista toiseen. Tässä kokeessa kehitetyillä menetelmillä on suuri merkitys sekä kvanttimekaniikan alan tutkimukselle että tuleville kvanttimekaniikan perusteiden kokeille.

Kesäkuussa 2013 Eugene Polzikin johtama fyysikkoryhmä onnistui suorittamaan kokeen 10 12 cesiumatomin kollektiivisen spinin determinististä teleportaatiota puolen metrin etäisyydellä. Tämä teos on esillä kannessa. luonnon fysiikka. Miksi tämä on todella tärkeä tulos, mitkä olivat kokeelliset vaikeudet ja lopuksi, mitä on "deterministinen kvanttiteleportaatio" "Lente.ru" kertoi professori ja Venäjän kvanttikeskuksen (RKC) toimeenpanevan komitean jäsen Eugene. Polzik.

"Lenta.ru": Mitä on "kvanttiteleportaatio"?

Ymmärtääksesi kuinka kvanttiteleportaatio eroaa siitä, mitä näemme esimerkiksi Star Trek -sarjassa, sinun on ymmärrettävä yksi yksinkertainen asia. Maailmamme on järjestetty siten, että jos haluamme tietää jotain mistä tahansa, niin pienimmässäkin yksityiskohdassa teemme aina virheitä. Jos otamme esimerkiksi tavallisen atomin, niin liikkeen nopeutta ja elektronien sijaintia siinä ei voida mitata samanaikaisesti (tätä kutsutaan Heisenbergin epävarmuusperiaatteeksi). Eli et voi esittää tulosta nollien ja ykkösten sarjana.

Kvanttimekaniikassa on kuitenkin tarkoituksenmukaista esittää tämä kysymys: vaikka tulosta ei voida kirjoittaa ylös, ehkä se voidaan silti lähettää? Tätä prosessia, jossa lähetetään tietoja klassisten mittausten tarkkuutta pidemmälle, kutsutaan kvanttiteleportaatioksi.

Milloin kvanttiteleportaatio ilmestyi ensimmäisen kerran?

Eugene Polzik, Kööpenhaminan yliopiston (Tanska) Niels Bohr -instituutin professori, Venäjän kvanttikeskuksen toimeenpanevan komitean jäsen

Vuonna 1993 kuusi fyysikkoa - Bennett, Brossard ja muut - kirjoittivat Physical Review Letters artikkeli (pdf), jossa he keksivät upean terminologian kvanttiteleportaatiolle. Merkittävää myös siksi, että tällä terminologialla on ollut siitä lähtien erittäin myönteinen vaikutus yleisöön. Heidän työssään kvanttitiedonsiirtoprotokolla kuvattiin puhtaasti teoreettisesti.

Vuonna 1997 suoritettiin ensimmäinen fotonien kvanttiteleportaatio (itse asiassa oli kaksi koetta - Zaillinger- ja De Martini-ryhmät; Zaillingeriä lainataan yksinkertaisesti enemmän). Työssään he teleportoivat fotonien polarisaatiota - tämän polarisaation suunta on kvanttisuure, eli määrä, joka saa eri arvoja eri todennäköisyyksillä. Kuten kävi ilmi, tätä arvoa ei voi mitata, mutta se voidaan teleportoida.

Tässä on jotain harkittavaa: Zaillingerin ja De Martinin kokeissa teleportaatio oli todennäköisyyttä, eli se toimi tietyllä onnistumistodennäköisyydellä. He onnistuivat saavuttamaan vähintään 67 (2/3) prosentin todennäköisyyden - mitä venäjäksi sopii kutsua klassiseksi rajaksi.

Kyseistä teleportaatiota kutsutaan todennäköisyydeksi. Vuonna 1998 me Caltechissa teimme jotain, jota kutsutaan deterministiseksi teleportaatioksi. Olemme teleportoineet valopulssin vaiheen ja amplitudin. Ne, kuten fyysikot sanovat, kuten elektronin nopeus ja sijainti, ovat "ei-työmatkamuuttujia", ja siksi noudattavat jo mainittua Heisenberg-periaatetta. Eli ne eivät salli samanaikaista mittausta.

Atomia voidaan pitää pienenä magneetina. Tämän magneetin suunta on spinin suunta. Voit ohjata tällaisen "magneetin" suuntaa magneettikentän ja valon avulla. Fotoneilla - valon hiukkasilla - on myös spin, jota kutsutaan myös polarisaatioksi.

Mitä eroa on todennäköisyyden ja deterministisen teleportaation välillä?

Selittääksemme sen, meidän on ensin puhuttava hieman enemmän teleportaatiosta. Kuvittele, että pisteissä A ja B on atomeja mukavuuden vuoksi - yksi kerrallaan. Haluamme teleportoida vaikkapa atomin spinin paikasta A paikkaan B, eli tuoda pisteen B atomi samaan kvanttitilaan kuin atomi A. Kuten sanoin, yksi klassinen viestintäkanava ei tähän riitä, joten tarvitaan kaksi kanavaa - yksi klassinen ja toinen kvantti. Kvanttitiedon kantajana meillä on valokvantit.

Ensin kuljetamme valoa atomin B läpi. Tapahtuu kietoutumisprosessi, jonka seurauksena valon ja atomin spinin välille muodostuu yhteys. Kun valo saapuu kohtaan A, voimme olettaa, että näiden kahden pisteen välille on muodostettu kvanttiviestintäkanava. A:n läpi kulkeva valo lukee tietoa atomista ja sen jälkeen valo nappaa tunnistimet. Juuri tätä hetkeä voidaan pitää tiedonsiirron hetkenä kvanttikanavan kautta.

Nyt on vielä siirrettävä mittaustulos klassisen kanavan kautta B:hen, jotta näiden tietojen perusteella atomin spinille suoritetaan joitain muunnoksia (esimerkiksi magneettikenttää muutetaan). Tämän seurauksena pisteessä B atomi saa atomin A spin-tilan. Teleportaatio on valmis.

Todellisuudessa kvanttikanavan läpi kulkevat fotonit kuitenkin katoavat (jos tämä kanava on esimerkiksi tavallinen optinen kuitu). Suurin ero todennäköisyyspohjaisen ja deterministisen teleportaation välillä piilee juuri asenteessa näitä menetyksiä kohtaan. Probabilistisella ei ole väliä kuinka monta siellä katoaa - jos ainakin yksi miljoonasta fotonista on saavuttanut, niin se on hyvä. Tässä mielessä se tietysti soveltuu paremmin fotonien lähettämiseen pitkiä matkoja ( tällä hetkellä ennätys on 143 kilometriä - n. "Tapes.ru"). Deterministisellä teleportaatiolla taas on huonompi asenne hävikkiin - yleisesti ottaen mitä suuremmat häviöt, sitä huonompi on teleportaation laatu, eli langan vastaanottopäässä saadaan ei aivan alkuperäinen kvanttitila - mutta se toimii joka kerta, suoraan sanottuna, painat painiketta.

Valon ja atomien kietoutunut tila on pohjimmiltaan niiden spinien kietoutunut tila. Jos esimerkiksi atomin ja fotonin spinit kietoutuvat, niiden parametrien mittaukset, kuten fyysikot sanovat, korreloivat. Tämä tarkoittaa, että jos esimerkiksi fotonin spinin mittaus osoitti sen olevan suunnattu ylöspäin, niin atomin spin suuntautuu alaspäin; jos fotonin spin osoittautui suunnatuksi oikealle, niin atomin spin suuntautuu vasemmalle ja niin edelleen. Temppu on, että ennen mittausta fotonilla tai atomilla ei ole tarkkaa spinin suuntaa. Miten ne tästä huolimatta korreloivat? Tästä pitäisi alkaa "kvanttimekaniikan pään pyöriminen", kuten Niels Bohr sanoi.

Eugene Polzik

Ja miten ne eroavat laajuudeltaan?

Todennäköisyyslaskenta, kuten sanoin, sopii tiedonsiirtoon pitkiä matkoja. Sanotaan, että jos haluamme tulevaisuudessa rakentaa kvantti-Internetin, tarvitsemme juuri tämän tyyppistä teleportaatiota. Mitä tulee deterministiseen, se voi olla hyödyllinen joidenkin prosessien teleportoinnissa.

Tässä meidän on heti selvennettävä: nyt ei ole niin selvää rajaa näiden kahden teleportaation välillä. Esimerkiksi Venäjän kvanttikeskuksessa (eikä vain siinä) kehitetään kvanttiviestinnän "hybridijärjestelmiä", joissa käytetään osittain todennäköisyys- ja osittain deterministisiä lähestymistapoja.

Työssämme prosessin teleportaatio oli, tiedättekö, stroboskooppista - emme vielä puhu jatkuvasta teleportaatiosta.

Onko se siis erillinen prosessi?

Joo. Itse asiassa valtion teleportaatio voi tapahtua vain kerran. Yksi kvanttimekaniikan kieltämistä asioista on tilojen kloonaus. Eli jos teleportoit jotain, tuhosit sen.

Kerro meille, mitä ryhmäsi on saanut aikaan.

Meillä oli cesiumatomien ryhmä, ja teleportoimme järjestelmän kollektiivisen pyörähdyksen. Kaasumme oli laserin ja magneettikentän vaikutuksen alaisena, joten atomien spinit olivat suunnilleen samat. Valmistamaton lukija voi kuvitella asian näin - tiimimme on iso magneettineula.

Nuolella on suunnan määrittämättömyys (tämä tarkoittaa, että spinit ovat "suunnilleen" samassa suunnassa), sama Heisenbergin suunta. Tämän epävarmuuden suuntaa on mahdotonta mitata tarkasti, mutta sijainnin teleportointi on täysin mahdollista. Tämän epävarmuuden suuruus on yksi atomien lukumäärän neliöjuurta kohti.

Tässä on tärkeää tehdä poikkeama. Lempisysteemini on atomikaasu huoneenlämpötilassa. Tämän järjestelmän ongelma on tämä: huoneenlämpötilassa kvanttitilat hajoavat nopeasti. Meidän tapauksessamme nämä spin-tilat elävät kuitenkin hyvin pitkään. Ja tämä saavutettiin yhteistyön ansiosta Pietarin tutkijoiden kanssa.

He kehittivät pinnoitteita, joita tieteellisesti kutsutaan alkeenipinnoitteiksi. Itse asiassa se on jotain hyvin samanlaista kuin parafiini. Jos suihkutat tällaista pinnoitetta lasikennon sisäpuolelle kaasulla, niin kaasumolekyylit lentävät (nopeudella 200 metriä sekunnissa) ja törmäävät seiniin, mutta niiden pyörimiselle ei tapahdu mitään. Ne kestävät noin miljoona törmäystä. Minulla on tällainen visuaalinen esitys tästä prosessista: kansi on kuin kokonainen viiniköynnösmetsä, erittäin suuri, ja selän pilaamiseksi sinun on siirrettävä pyörimisesi jollekin. Ja siellä se kaikki on niin suurta ja yhdistettyä, ettei kukaan voi siirtää sitä eteenpäin, joten hän menee sinne, kamppailee ja lentää takaisin, eikä hänelle tapahdu mitään. Aloitimme työskentelyn näiden pinnoitteiden kanssa 10 vuotta sitten. Nyt niitä on paranneltu ja todistettu, että niiden kanssa on mahdollista työskennellä kvanttikentällä.

Joten takaisin cesiumatomeihin. Ne olivat huoneenlämpöisiä (tämä on myös hyvä, koska alkeenipinnoitteet eivät kestä korkeita lämpötiloja, ja kaasun saamiseksi jotain on yleensä haihdutettava, eli lämmitettävä).

Olet teleportoinut kierroksen puoli metrillä. Onko näin pieni etäisyys perustavanlaatuinen rajoitus?

Ei tietenkään. Kuten sanoin, deterministinen teleportaatio ei kärsi häviöitä, joten laserpulssimme kulkivat avoimen avaruuden läpi - jos ajaisimme ne takaisin kuituun, olisi poikkeuksetta jonkinlainen menetys. Yleisesti ottaen, jos harjoitat futurismia siellä, on täysin mahdollista ampua satelliittiin samalla säteellä, joka välittää signaalin oikeaan paikkaan.

Sanoitko, että sinulla on suunnitelmia jatkuvaan teleportaatioon?

Joo. Vain tässä jatkuvuus tulisi ymmärtää monessa mielessä. Toisaalta työssämme on 10 12 atomia, joten kollektiivisen spinin suunnan diskreettisyys on niin pieni, että spiniä voidaan kuvata jatkuvilla muuttujilla. Tässä mielessä teleportaatiomme oli jatkuvaa.

Toisaalta, jos prosessi muuttuu ajassa, voidaan puhua sen jatkuvuudesta ajassa. Joten voin tehdä seuraavaa. Tällä prosessilla on, sanotaanko, jonkinlainen aikavakio - oletetaan, että se tapahtuu millisekunneissa, joten otin sen ja jakoin sen mikrosekunteiksi, ja "puomi" teleporttui ensimmäisen mikrosekunnin jälkeen; sitten sinun on palattava alkuperäiseen tilaan.

Jokainen tällainen teleportaatio tietysti tuhoaa teleportoidun tilan, mutta tämän prosessin aiheuttama ulkoinen herätys ei kosketa. Siksi pohjimmiltaan teleportoimme tietyn integraalin. Voimme "laajentaa" tätä integraalia ja oppia jotain ulkoisista herätteistä. Teoreettinen paperi, jossa tämä kaikki ehdotetaan, on juuri ilmestynyt Physical Review Letters.

Itse asiassa tällaista edestakaisin teleportaatiota voidaan käyttää hyvin syviin asioihin. Minulla on täällä jotain tapahtumassa, ja jotain tapahtuu täällä, ja teleportaatiokanavan avulla voin simuloida vuorovaikutusta - ikään kuin nämä kaksi pyöritystä, jotka eivät ole koskaan olleet vuorovaikutuksessa keskenään, olisivat todella vuorovaikutuksessa. Se on sellainen kvanttisimulaatio.

Ja kvanttisimulaatio on se, mitä kaikki hyppäävät nyt. Sen sijaan, että laskeisit miljoonia numeroita, voit vain simuloida. Muista sama D-aalto.

Voidaanko determinististä teleportaatiota käyttää kvanttitietokoneissa?

Ehkä, mutta silloin on välttämätöntä teleportoida kubitit. Täällä tarvitaan jo kaikenlaisia ​​virheenkorjausalgoritmeja. Ja ne ovat vasta alkamassa kehittyä.

Calgaryn yliopiston (Kanada) fysiikan tiedekunnan professori, Kanadan korkeakoulujen instituutin jäsen Alexander Lvovsky yritti selittää yksinkertaisin sanoin kvanttiteleportaation ja kvanttisalauksen periaatteet.

Avain linnaan

Kryptografia on taitoa viestiä turvallisesti epävarman kanavan kautta. Toisin sanoen sinulla on tietty rivi, jota voidaan kuunnella, ja sinun on lähetettävä sen yli salainen viesti, jota kukaan muu ei voi lukea.

Kuvittele, että jos Alicella ja Bobilla on niin sanottu salainen avain, nimittäin salainen nollien ja ykkösten sarja, joita kenelläkään muulla ei ole, he voivat salata viestin tällä avaimella käyttämällä yksinomaista TAI-toimintoa niin, että nolla vastaa nollalla ja yksi ykkösellä. Tällainen salattu viesti voidaan jo lähettää avoimen kanavan kautta. Jos joku sieppaa sen, se ei haittaa, koska kukaan ei voi lukea sitä paitsi Bob, jolla on kopio salaisesta avaimesta.

Missä tahansa kryptografiassa, missä tahansa viestinnässä, kallein resurssi on satunnainen nollien ja ykkösten sarja, jonka omistaa vain kaksi kommunikoivaa henkilöä. Mutta useimmissa tapauksissa käytetään julkisen avaimen salausta. Oletetaan, että ostat jotain luottokortilla verkkokaupasta suojattua HTTPS-protokollaa käyttäen. Sen mukaan tietokoneesi puhuu jollekin palvelimelle, jonka kanssa se ei ole koskaan aiemmin ollut yhteydessä, eikä sillä ollut mahdollisuutta vaihtaa salaista avainta tämän palvelimen kanssa.

Tämän dialogin mysteeri saadaan aikaan ratkaisemalla monimutkainen matemaattinen ongelma, erityisesti hajoaminen alkutekijöihin. On helppoa kertoa kaksi alkulukua, mutta jos on jo annettu tehtävä löytää niiden tulo, löytää kaksi tekijää, niin se on vaikeaa. Jos luku on riittävän suuri, se vaatii useiden vuosien laskelmia perinteiseltä tietokoneelta.

Jos tämä tietokone ei kuitenkaan ole tavallinen, vaan kvantti, se ratkaisee tällaisen ongelman helposti. Kun se vihdoin keksitään, yllä oleva laajalti käytetty menetelmä osoittautuu hyödyttömäksi, minkä odotetaan olevan tuhoisa yhteiskunnalle.

Jos muistat, ensimmäisessä Harry Potter -kirjassa päähenkilön piti mennä turvatarkastuksen läpi päästäkseen viisasten kivelle. Täällä on jotain samanlaista: niille, jotka ovat luoneet suojan, se on helppo läpäistä. Se oli Harrylle erittäin vaikeaa, mutta lopulta hän silti selvisi siitä.

Tämä esimerkki kuvaa julkisen avaimen salausta erittäin hyvin. Jokainen, joka ei tunne häntä, pystyy periaatteessa purkamaan viestit, mutta se tulee olemaan hänelle erittäin vaikeaa, ja tämä saattaa kestää useita vuosia. Julkisen avaimen salaus ei tarjoa ehdotonta turvallisuutta.

kvantti kryptografia

Kaikki tämä selittää kvanttisalauksen tarpeen. Hän antaa meille molempien maailmojen parhaat puolet. On olemassa kertakäyttöinen tyynymenetelmä, joka on luotettava, mutta toisaalta vaatii "kalliin" salaisen avaimen. Jotta Alice voisi kommunikoida Bobin kanssa, hänen on lähetettävä hänelle kuriiri, jolla on matkalaukku täynnä tällaisia ​​avaimia sisältäviä levyjä. Hän kuluttaa niitä vähitellen, koska jokaista niistä voidaan käyttää vain kerran. Toisaalta meillä on julkisen avaimen menetelmä, joka on "halpa", mutta ei tarjoa absoluuttista turvallisuutta.

Kvanttisalaus on toisaalta ”halpa”, se mahdollistaa avaimen turvallisen siirron kanavalla, johon voidaan murtautua, ja toisaalta se takaa salassapitoisuuden fysiikan peruslakien vuoksi. Sen tarkoitus on koodata tietoa yksittäisten fotonien kvanttitilassa.

Kvanttifysiikan postulaattien mukaan kvanttitila sillä hetkellä, kun sitä yritetään mitata, tuhoutuu ja muuttuu. Siten, jos joku vakooja Alicen ja Bobin välisellä linjalla yrittää salakuunnella tai kurkistaa, hän muuttaa väistämättä fotonien tilaa, kommunikaattorit huomaavat, että linjaa salataan, lopettavat yhteydenpidon ja ryhtyvät toimiin.

Toisin kuin monet muut kvanttiteknologiat, kvanttisalaus on kaupallista, ei tieteiskirjallisuutta. Jo nyt on yrityksiä, jotka valmistavat tavanomaiseen valokuitulinjaan kytkettyjä palvelimia, joiden kautta voi kommunikoida turvallisesti.

Kuinka polarisoiva säteen jakaja toimii

Valo on poikittaissuuntainen sähkömagneettinen aalto, joka ei värähtele pitkin, vaan poikki. Tätä ominaisuutta kutsutaan polarisaatioksi, ja se esiintyy jopa yksittäisissä fotoneissa. Niitä voidaan käyttää tiedon koodaamiseen. Esimerkiksi vaakafotoni on nolla ja pystyfotoni yksi (sama pätee fotoneihin, joiden polarisaatiot ovat plus 45 astetta ja miinus 45 astetta).

Alice koodasi tiedot tällä tavalla, ja Bobin on hyväksyttävä se. Tätä varten käytetään erityistä laitetta - polarisoivaa säteen jakajaa, kuutiota, joka koostuu kahdesta yhteen liimatusta prismasta. Se lähettää vaakasuoraan polarisoitua virtaa ja heijastaa pystysuuntaista polarisoitua virtaa, minkä ansiosta informaatio dekoodataan. Jos vaakafotoni on nolla ja pystyfotoni yksi, yksi ilmaisin napsahtaa loogisen nollan tapauksessa ja toinen, jos kyseessä on yksi.

Mutta mitä tapahtuu, jos lähetämme diagonaalisen fotonin? Sitten kuuluisa kvanttionnettomuus alkaa näytellä roolia. On mahdotonta sanoa, meneekö tällainen fotoni ohi vai heijastuuko se - se tekee joko toisen tai toisen 50 prosentin todennäköisyydellä. Hänen käyttäytymisensä ennustaminen on periaatteessa mahdotonta. Lisäksi tämä ominaisuus on kaupallisten satunnaislukugeneraattoreiden taustalla.

Mitä tehdä, jos meidän tehtävänä on erottaa plus 45 asteen ja miinus 45 asteen polarisaatiot? On välttämätöntä kiertää säteen jakajaa säteen akselin ympäri. Silloin kvanttisatunnaisuuden laki toimii fotoneilla, joilla on vaaka- ja pystypolarisaatio. Tämä ominaisuus on perustavanlaatuinen. Emme voi kysyä, mikä polarisaatio tällä fotonilla on.

Kvanttisalauksen periaate

Mikä on kvanttisalauksen idea? Oletetaan, että Alice lähettää fotonin Bobille, jonka hän koodaa joko vaaka-pystysuoraan tai diagonaalisesti. Bob heittää myös kolikon ja päättää satunnaisesti, onko hänen perustansa vaaka-pysty vai diagonaalinen. Jos heidän koodausmenetelmänsä täsmäävät, Bob vastaanottaa Alicen lähettämät tiedot, jos ei, niin jotain hölynpölyä. He suorittavat tämän toimenpiteen useita tuhansia kertoja ja sitten "soivat" avoimen kanavan kautta ja kertovat toisilleen, millä perusteilla he ovat siirtäneet - voimme olettaa, että tämä tieto on nyt kaikkien saatavilla. Seuraavaksi Bob ja Alice pystyvät karsimaan pois tapahtumat, joissa perusteet olivat erilaiset, ja jättämään ne, joissa ne olivat samat (niitä on noin puolet).

Oletetaan, että jonoon on juuttunut joku vakooja, joka haluaa salakuunnella viestejä, mutta hänen on myös mitattava tietoja jollain perusteella. Kuvittele, että Alicella ja Bobilla on sama, mutta vakoojalla ei. Tilanteessa, jossa data on lähetetty vaaka-pystysuunnassa ja salakuuntelija mittasi lähetyksen diagonaalisesti, hän saa satunnaisen arvon ja välittää Bobille jonkin mielivaltaisen fotonin, koska hän ei tiedä mitä sen pitäisi olla. Siten hänen puuttumisensa huomataan.

Kvanttisalauksen suurin ongelma on katoaminen. Jopa paras ja nykyaikaisin kuitu antaa 50 prosentin häviön jokaista 10-12 kilometriä kohti. Oletetaan, että lähetämme salaisen avaimemme Moskovasta Pietariin - 750 kilometriä, ja vain yksi miljardista miljardista fotonista saavuttaa tavoitteen. Kaikki tämä tekee tekniikasta täysin epäkäytännöllisen. Siksi nykyaikainen kvanttisalaus toimii vain noin 100 kilometrin etäisyydellä. Teoreettisesti tiedetään kuinka tämä ongelma ratkaistaan ​​- kvanttitoistimien avulla, mutta niiden toteuttaminen vaatii kvanttiteleportaatiota.

kvanttisekoittuminen

Kvanttikietoutumisen tieteellinen määritelmä on delokalisoitu superpositiotila. Kuulostaa monimutkaiselta, mutta yksinkertainen esimerkki voidaan antaa. Oletetaan, että meillä on kaksi fotonia: vaaka- ja pystysuora, joiden kvanttitilat ovat toisistaan ​​riippuvaisia. Lähetämme yhden niistä Alicelle ja toisen Bobille, joka tekee mittauksia polarisoivalla säteenjakajalla.

Kun nämä mittaukset tehdään tavallisella vaaka-vertikaalisella pohjalla, on selvää, että tulos korreloi. Jos Alice huomasi vaakasuuntaisen fotonin, toinen on tietysti pystysuora ja päinvastoin. Tämä voidaan kuvitella yksinkertaisemmalla tavalla: meillä on sininen ja punainen pallo, suljemme ne kumpikin kirjekuoreen katsomatta ja lähetämme sen kahdelle vastaanottajalle - jos toinen saa punaisen, toinen saa ehdottomasti sinisen.

Mutta kvanttisekoittumisen tapauksessa asia ei rajoitu tähän. Tämä korrelaatio ei tapahdu vain vaaka-vertikaalisella pohjalla, vaan myös missä tahansa muussa. Esimerkiksi, jos Alice ja Bob kääntävät säteenjakajiaan 45 astetta samanaikaisesti, heillä on jälleen täydellinen pari.

Tämä on hyvin outo kvanttiilmiö. Oletetaan, että Alice käänsi jollakin tavalla säteenjakajaansa ja löysi fotonin polarisaatiolla α, joka kulki sen läpi. Jos Bob mittaa fotoninsa samalla perusteella, hän löytää polarisaation 90 astetta +α.

Joten alussa meillä on sotkeutumistila: Alicen fotoni on täysin määrittelemätön ja Bobin fotoni on täysin määrittelemätön. Kun Alice mittasi fotoninsa ja löysi jonkin arvon, nyt tiedämme tarkalleen, mikä fotoni Bobilla on, olipa hän kuinka kaukana tahansa. Tämä vaikutus on toistuvasti vahvistettu kokeilla, tämä ei ole fantasiaa.

Oletetaan, että Alicella on tietty fotoni polarisaatiolla α, jota hän ei vielä tiedä, eli tuntemattomassa tilassa. Hänen ja Bobin välillä ei ole suoraa kanavaa. Jos kanava olisi, niin Alice pystyisi rekisteröimään fotonin tilan ja välittämään nämä tiedot Bobille. Mutta on mahdotonta tietää kvanttitilaa yhdellä mittauksella, joten tämä menetelmä ei sovellu. Alicen ja Bobin välillä on kuitenkin valmiiksi valmisteltu kietoutunut fotonipari. Tästä johtuen on mahdollista saada Bobin fotoni ottamaan Alice-fotonin alkutila, johon "soitetaan" myöhemmin ehdollista puhelinlinjaa pitkin.

Tässä on klassikko (vaikkakin hyvin kaukainen analogi) kaikesta tästä. Alice ja Bob saavat kumpikin punaisen tai sinisen ilmapallon kirjekuoressa. Alice haluaa lähettää Bobille tietoa siitä, mitä hänellä on. Tätä varten hänen on "soitettuaan" Bobille verrattava palloja ja sanottava hänelle "minulla on sama" tai "Meillä on erilaisia". Jos joku salakuuntelee tätä linjaa, se ei auta häntä tunnistamaan heidän väriään.

Tapahtumien lopputulokselle on siis neljä vaihtoehtoa (ehdollisesti vastaanottajilla on siniset ilmapallot, punaiset ilmapallot, punainen ja sininen tai sininen ja punainen). Ne ovat mielenkiintoisia, koska ne muodostavat perustan. Jos meillä on kaksi fotonia, joilla on tuntematon polarisaatio, voimme "kysyä heille kysymyksen", missä näistä tiloista ne ovat, ja saada vastauksen. Mutta jos ainakin yksi niistä on sotkeutunut johonkin toiseen fotoniin, tapahtuu etävalmistelun vaikutus, ja kolmas, etäfotoni "valmistuu" tietyssä tilassa. Tähän kvanttiteleportaatio perustuu.

Miten se kaikki toimii? Meillä on sotkeutunut tila ja fotoni, jonka haluamme teleportoida. Liisen on suoritettava sopiva mittaus alkuperäisestä teleportoidusta fotonista ja kysyttävä, missä tilassa toinen on. Satunnaisesti hän saa yhden neljästä mahdollisesta vastauksesta. Kaukokeittoefektin seurauksena käy ilmi, että tämän mittauksen jälkeen Bobin fotoni meni tuloksesta riippuen tiettyyn tilaan. Sitä ennen hän oli sotkeutunut Alicen fotoniin, koska hän oli epämääräisessä tilassa.

Alice kertoo Bobille puhelimitse, mikä hänen mittansa oli. Jos sen tulos, sanotaan, osoittautui ψ-, niin Bob tietää, että hänen fotoninsa on automaattisesti muuttunut tähän tilaan. Jos Alice ilmoitti, että hänen mittauksensa antoi tuloksen ψ+, niin Bobin fotoni otti -α-polarisaation. Teleportaatiokokeen lopussa Bobilla on kopio Alicen alkuperäisestä fotonista, ja hänen fotoninsa ja sitä koskevat tiedot tuhoutuvat prosessin aikana.

teleportaatiotekniikka

Nyt pystymme teleportoimaan fotonien polarisaatiota ja joidenkin atomien tiloja. Mutta kun he kirjoittavat, he sanovat, tiedemiehet ovat oppineet teleportoimaan atomeja - tämä on petos, koska atomeilla on paljon kvanttitiloja, ääretön joukko. Parhaimmillaan keksimme kuinka teleportoida pari niistä.

Lempikysymykseni on, milloin ihmisen teleportaatio tapahtuu? Vastaus on ei koskaan. Oletetaan, että meillä on kapteeni Picard Star Trek -sarjasta, joka pitää teleportoida planeetan pinnalle aluksesta. Tämän tekemiseksi, kuten jo tiedämme, meidän on tehtävä pari lisää samoja Picardeja, saatettava ne hämmentyneeseen tilaan, joka sisältää kaikki hänen mahdolliset tilat (raitis, humalassa, nukkuminen, tupakointi - ehdottomasti kaikki) ja mitattava molemmat. On selvää, kuinka vaikeaa ja epärealistista tämä on.

Kvanttiteleportaatio on mielenkiintoinen mutta laboratorioilmiö. Asiat eivät tule elävien olentojen teleportaatioon (ainakaan lähitulevaisuudessa). Käytännössä sitä voidaan kuitenkin käyttää kvanttitoistinten luomiseen tiedon siirtämiseen pitkiä matkoja.