RuNet ei ole koskaan aikaisemmin kokenut niin suurta tiedon janoa kvanttimekaniikan alalla kuin sen jälkeen, kun Kommersant-sanomalehdessä julkaistiin artikkeli, jossa mainittiin suunnitelmat "teleportaation" käyttöönotosta Venäjällä. Strategisten aloitteiden viraston (ASI) ohjelma Venäjän teknologiselle kehitykselle ei kuitenkaan rajoitu "teleportaatioon", vaan juuri tämä termi on herättänyt sosiaalisten verkostojen ja median huomion ja siitä on tullut syy monia vitsejä.

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

Tavoitteena on siirtää kietoutumattoman hiukkasen A kvanttitila hiukkaselle C. Tätä varten tutkijat mittaavat fotonien A ja B kvanttiominaisuuksia. Mittaustulokset muunnetaan sitten binäärikoodiksi, joka kertoo hiukkasten A ja B väliset erot. .

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, palauttaen tilan, joka C-hiukkasella oli C-partikkelin A avulla. Tämän seurauksena hiukkanen C kopioi hiukkasen A kvanttitilan - tieto teleportoituu.

Miksi kaikkea tätä tarvitaan?

Ensinnäkin kvanttiteleportaatiota suunnitellaan käytettäväksi kvanttiviestinnässä ja kvanttisalausteknologioissa - tämän tyyppisen viestinnän turvallisuus näyttää houkuttelevalta sekä liike-elämän että valtion kannalta, ja kvanttiteleportaation avulla voimme välttää tiedon menettämisen, kun fotonit liikkuvat optista kuitua pitkin.

Esimerkiksi hiljattain tuli tunnetuksi onnistuneesta kvanttitiedon siirrosta kahden Moskovan Gazprombankin toimiston välillä 30,6 kilometriä pitkän optisen kuidun kautta. Projekti, jonka parissa Venäjän kvanttikeskus (RCC) työskenteli ja johon Gazprombank ja Venäjän federaation opetus- ja tiedeministeriö sijoittivat 450 miljoonaa ruplaa, osoittautui itse asiassa Venäjän ensimmäiseksi "urbaaniksi" kvanttiviestintälinjaksi.

Toinen suunta on kvanttitietokoneet, joissa kietoutuneita hiukkasia voidaan käyttää kubitteina - kvanttitiedon yksikköinä.

Toinen idea on "kvanttiinternet": koko 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", totesi RCC:n työntekijä ja professori Calgaryn yliopistosta Alexander Lvovsky. keskustelussa N+1:n kanssa.

Huomaa, että tällä hetkellä tiedemiehet teleportoivat pääasiassa fotonien ja atomien tiloja; Suurempia esineitä ei ole vielä voitu teleportoida.

Kvanttiteleportaatio "sama" teleportaationa

Ilmeisesti hypoteettisesti kvanttiteleportaatiolla voidaan edelleen luoda kopioita suurista esineistä, myös ihmisistä - loppujen lopuksi keho koostuu myös atomeista, joiden kvanttitilat voidaan teleportoida. Teknologian nykyisessä kehitysvaiheessa tätä pidetään kuitenkin mahdottomana, ja se on jäänyt tieteiskirjallisuuden piiriin.

”Olemme valmistettu hapesta, vedystä ja hiilestä, johon on lisätty vähän muita kemiallisia alkuaineita. Jos keräämme tarvittavan määrän atomeja vaadituista alkuaineista ja sitten teleportaation avulla saatamme ne 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 niiden saattaminen haluttuun kvanttitilaan ei ole ollenkaan helppoa”, Aleksanteri Lvovsky sanoi keskustelussa N+1:n kanssa.

Kvanttiteleportaatio on kvanttitilan siirtoa etäisyyden yli. Sitä on vaikea selittää erikseen, tämä voidaan tehdä vain yhdessä kaiken kvanttifysiikan kanssa. Luentonsa, joka pidettiin osana VDNH:n ”Luentoa 2035”, Calgaryn yliopiston (Kanada) fysiikan tiedekunnan professori Alexander Lvovsky, Kanadan korkeakoulujen instituutin jäsen, yritti puhua yksinkertaisesti. kieli kvanttiteleportaation ja kvanttisalauksen periaatteista. Lenta.ru julkaisee otteita hänen puheestaan.

Avain lukkoon

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

Oletetaan, että jos Liisalla ja Bobilla on niin sanottu salainen avain, eli salainen nollien ja ykkösten sarja, joita kenelläkään muulla ei ole, he voivat salata viestin tällä avaimella käyttämällä yksinomaista TAI-toimintoa niin, että nolla vastaa nollaa ja yksi yhden kanssa. Tällainen salattu viesti voidaan jo lähettää avoimen kanavan kautta. Jos joku sieppaa sen, se ei ole iso juttu, 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 omistavat vain kaksi kommunikoivaa. Mutta useimmissa tapauksissa käytetään julkisen avaimen salausta. Oletetaan, että ostat jotain luottokortilla suojattua HTTPS-protokollaa käyttävästä verkkokaupasta. Sen kautta tietokoneesi keskustelee jonkin palvelimen kanssa, jonka kanssa se ei ole koskaan aiemmin ollut yhteydessä, eikä sillä ollut mahdollisuutta vaihtaa salaista avainta tämän palvelimen kanssa.

Tämän dialogin salaisuus varmistetaan ratkaisemalla monimutkainen matemaattinen ongelma, erityisesti faktorointi. Kaksi alkulukua on helppo kertoa, mutta jos niiden tulo on jo annettu, niin kahta tekijää on vaikea löytää. Jos luku on riittävän suuri, se vaatii tavanomaisen tietokoneen laskemiseen useita vuosia.

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

Jos muistat, ensimmäisessä Harry Potter -kirjassa päähenkilön piti käydä turvatarkastuksen läpi päästäkseen viisasten kivelle. Tässä on jotain samanlaista: suojauksen asentaja pääsee helposti läpi. Harrylla oli erittäin vaikeaa aikaa, mutta lopulta hän selvisi siitä.

Tämä esimerkki kuvaa julkisen avaimen salausta erittäin hyvin. Joku, joka ei sitä tiedä, voisi periaatteessa pystyä purkamaan viestit, mutta se olisi hyvin vaikeaa ja saattaa kestää useita vuosia. Julkisen avaimen salaus ei tarjoa ehdotonta turvallisuutta.

Kvanttisalaus

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 levyjä tällaisilla avaimilla. Hän käyttää ne vähitellen loppuun, koska jokaista niistä voi käyttää vain kerran. Toisaalta meillä on julkisen avaimen menetelmä, joka on "halpa", mutta ei tarjoa absoluuttista luotettavuutta.

Kuva: Science Museum / Globallookpress.com

Kvanttisalaus on toisaalta ”halpa” mahdollistaa avaimen turvallisen siirron hakkeroitavissa olevan kanavan kautta, ja toisaalta se takaa salaisuuden fysiikan peruslakien ansiosta. Sen tarkoitus on koodata tietoa yksittäisten fotonien kvanttitilassa.

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

Toisin kuin monet muut kvanttitekniikat, kvanttisalaus on kaupallista eikä tieteiskirjallisuutta. Jo nyt on yrityksiä, jotka valmistavat palvelimia, jotka kytkeytyvät tavalliseen valokuitulinjaan, joiden avulla voit suorittaa suojattua viestintää.

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 vaakasuuntainen fotoni on nolla ja pystyfotoni ykkönen (sama pätee fotoneihin, joiden polarisaatio on plus 45 astetta ja miinus 45 astetta).

Alice on koodannut tiedot tällä tavalla, ja Bobin on hyväksyttävä se. Tätä varten käytetään erityistä laitetta - polarisoivaa säteen jakajaa, kuutiota, joka koostuu kahdesta yhteen liimatusta prismasta. Se välittää vaakasuoraan polarisoitua virtausta ja heijastaa pystysuuntaista polarisoitua virtausta, jonka ansiosta informaatio dekoodataan. Jos vaakafotoni on nolla ja pystyfotoni yksi, niin loogisen nollan tapauksessa yksi ilmaisin napsahtaa ja yhden tapauksessa toinen.

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

Mitä meidän pitäisi tehdä, jos meidän tehtävänä on erottaa plus 45 asteen ja miinus 45 asteen polarisaatiot? Sinun on käännettävä säteen jakajaa säteen akselin ympäri. Silloin kvanttisatunnaisuuden laki pätee fotoneihin, joilla on vaaka- ja pystypolarisaatio. Tämä ominaisuus on perustavanlaatuinen. Emme voi kysyä, mikä polarisaatio tällä fotonilla on.

Kuva: Science Museum / Globallookpress.com

Kvanttisalauksen periaate

Mikä on kvanttisalauksen idea? Oletetaan, että Alice lähettää Bobille fotonin, 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 saa tiedot, jotka Alicen lähetti, mutta jos ei, niin jonkinlaista hölynpölyä. He suorittavat tämän toimenpiteen useita tuhansia kertoja ja sitten "soivat toisilleen" avoimen kanavan kautta ja ilmoittavat toisilleen, millä perusteella he tekivät siirron - 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 joku vakooja on murtautunut linjaan ja haluaa salakuunnella viestejä, mutta hänen on myös mitattava tiedot jollain tavalla. Kuvitellaan, että se sattui Alicelle ja Bobille, mutta ei vakoojalle. 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. Näin hänen väliintulonsa huomataan.

Kvanttisalauksen suurin ongelma on katoaminen. Jopa paras ja nykyaikaisin valokuitu tuottaa 50 prosenttia häviöitä jokaista 10-12 kilometriä kaapelia kohden. 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. Teoriassa tiedetään, kuinka tämä ongelma ratkaistaan ​​- kvanttitoistimien avulla, mutta niiden toteuttaminen vaatii kvanttiteleportaatiota.

Kuva: Perry Mastrovito / Globallookpress.com

Kvanttikietoutuminen

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 polarisaatiosäteen jakajalla.

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

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

Tämä on hyvin outo kvanttiilmiö. Oletetaan, että Alice jotenkin pyöritti säteenjakajaansa ja havaitsi 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 epävarma ja Bobin fotoni on täysin epävarma. Kun Alice mittasi fotoninsa ja löysi jonkin arvon, nyt tiedetään tarkalleen, mikä fotoni Bobilla on, olipa hän kuinka kaukana tahansa. Tämä vaikutus on toistuvasti vahvistettu kokeilla, se ei ole fantasiaa.

Kvanttiteleportaatio

Oletetaan, että Alicella on tietty fotoni, jonka polarisaatio on α, jota hän ei vielä tiedä, eli se on 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 ennalta järjestetty fotonipari. Tästä johtuen on mahdollista pakottaa Bobin fotoni hyväksymään Alice-fotonin alkutila ja sitten "soittaa" tavanomaisen puhelinlinjan kautta.

Tässä on klassinen (tosin hyvin kaukainen analogi) kaikesta tästä. Alice ja Bob saavat kukin pallon kirjekuoressa - sinisen tai punaisen. Alice haluaa lähettää Bobille tietoja hänen omastaan. Tätä varten hänen täytyy "soittaa" Bobille ja vertailla palloja sanomalla hänelle "minulla on sama" tai "meillä on erilaisia". Jos joku kuulee tämän rivin, se ei auta häntä tietämään värinsä.

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. Hän saa satunnaisesti yhden neljästä mahdollisesta vastauksesta. Kaukokeittoefektin seurauksena käy ilmi, että tämän mittauksen jälkeen Bobin fotoni meni tuloksesta riippuen tiettyyn tilaan. Ennen tätä hän oli kietoutunut Alicen fotoniin ja pysyi määrittelemättömässä tilassa.

Alice kertoo Bobille puhelimitse, mikä hänen mittaustensa tulos oli. Jos sen tulos esimerkiksi osoittautui ψ-, niin Bob tietää, että hänen fotoninsa muuttui automaattisesti tähän tilaan. Jos Alice ilmoitti, että hänen mittauksensa antoi tuloksen ψ+, niin Bobin fotoni oletti polarisaation -α. Teleportaatiokokeilun lopussa Bob saa kopion Alicen alkuperäisestä fotonista, ja hänen fotoninsa ja sitä koskevat tiedot tuhoutuvat prosessissa.

Teleportaatiotekniikka

Nyt voimme teleportoida fotonien polarisaatiota ja joidenkin atomien tiloja. Mutta kun he kirjoittavat, että tiedemiehet ovat oppineet teleportoimaan atomeja, tämä on valhe, koska atomeilla on paljon kvanttitiloja, ääretön määrä. Parhaimmillaan keksimme, kuinka teleportoidaan pari niistä.

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

Kvanttiteleportaatio on mielenkiintoinen mutta laboratorioilmiö. Se ei johdu elävien olentojen teleportaatioon (ainakaan lähitulevaisuudessa). Käytännössä sitä voidaan kuitenkin käyttää kvanttitoistimien luomiseen tiedon siirtämiseksi pitkiä matkoja.

Tällainen teleporttikone rakennettiin elokuvassa "Ota yhteyttä". Hänen avullaan Jodie Fosterin sankaritar matkusti toiseen maailmaan, tai ehkä ei...

Kirjailijoiden ja käsikirjoittajien kuvittelemissa fantasiamaailmoissa teleportaatiosta on pitkään tullut tavallinen kuljetuspalvelu. Vaikuttaa vaikealta löytää näin nopeaa, kätevää ja samalla intuitiivista tapaa liikkua avaruudessa.

Kaunista teleportaation ideaa tukevat myös tiedemiehet: kybernetiikan perustaja Norbert Wiener omisti teoksessaan "Kybernetiikka ja yhteiskunta" kokonaisen luvun "mahdollisuudelle matkustaa lennättimen avulla". Siitä on kulunut puoli vuosisataa, ja tänä aikana olemme tulleet melkein lähelle ihmiskunnan unelmaa tällaisesta matkustamisesta: onnistunutta kvanttiteleportaatiota on toteutettu useissa laboratorioissa ympäri maailmaa.

Perusasiat

Miksi teleportaatio on kvantti? Tosiasia on, että kvanttiobjekteilla (alkuainehiukkasilla tai atomeilla) on erityisiä ominaisuuksia, jotka määräytyvät kvanttimaailman lakien mukaan ja joita ei havaita makromaailmassa. Juuri nämä hiukkasten ominaisuudet toimivat perustana teleportaatiokokeille.

EPR paradoksi

Kvanttiteorian aktiivisen kehityksen aikana vuonna 1935 Albert Einsteinin, Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin kuuluisassa teoksessa "Voiko kvanttimekaaninen todellisuuden kuvaus olla täydellinen?" Niin sanottu EPR-paradoksi (Einstein-Podolsky-Rosen paradoksi) muotoiltiin.

Kirjoittajat osoittivat, että se seuraa kvanttiteoriasta: jos on kaksi hiukkasta A ja B, joilla on yhteinen menneisyys (hajallaan törmäyksen jälkeen tai muodostuneet jonkin hiukkasen hajoamisen aikana), niin hiukkasen B tila riippuu hiukkasen tilasta. A ja tämän riippuvuuden pitäisi ilmetä välittömästi ja miltä tahansa etäisyydeltä. Tällaisia ​​hiukkasia kutsutaan EPR-pariksi, ja niiden sanotaan olevan "kietoutuneessa" tilassa.

Ensinnäkin muistetaan, että kvanttimaailmassa hiukkanen on todennäköisyyskohde, eli se voi olla useassa tilassa samanaikaisesti - esimerkiksi se ei voi olla vain "musta" tai "valkoinen", vaan "harmaa". Mittaattaessa tällaista hiukkasta näemme kuitenkin aina vain yhden mahdollisista tiloista - "musta" tai "valkoinen", ja tietyllä ennustettavalla todennäköisyydellä, ja kaikki muut tilat tuhoutuvat. Lisäksi kahdesta kvanttihiukkasesta voit luoda sellaisen "kietoutuvan" tilan, että kaikki on vielä mielenkiintoisempaa: jos toinen niistä osoittautuu mitattuna "mustaksi", toinen on varmasti "valkoinen" ja päinvastoin. !

Ymmärtääksemme mikä paradoksi on, teemme ensin kokeen makroskooppisilla esineillä. Otetaan kaksi laatikkoa, joista jokaisessa on kaksi palloa - musta ja valkoinen. Ja viemme yhden näistä laatikoista pohjoisnavalle ja toisen etelänavalle.

Jos otamme yhden pallon etelänavalla (esimerkiksi musta), tämä ei vaikuta millään tavalla pohjoisnavalla tehdyn valinnan tulokseen. Ei ole ollenkaan välttämätöntä, että tässä tapauksessa kohtaamme tarkalleen valkoisen pallon. Tämä yksinkertainen esimerkki vahvistaa, että EPR-paradoksia on mahdotonta havaita maailmassamme.

Mutta vuonna 1980 Alan Aspect osoitti kokeellisesti, että kvanttimaailmassa EPR-paradoksi todella esiintyy. Erikoismittaukset EPR-hiukkasten A ja B tilasta osoittivat, että EPR-paria ei vain yhdistä yhteinen menneisyys, vaan hiukkanen B jollain tapaa "tietää" kuinka hiukkanen A mitattiin (mikä sen ominaisuus mitattiin) ja mikä oli tulos. . Jos puhuisimme edellä mainituista laatikoista, joissa on neljä palloa, tämä tarkoittaisi, että kun olet ottanut mustan pallon etelänavalta, meidän on ehdottomasti otettava pois valkoinen pallo pohjoisnavalta! Mutta A:n ja B:n välillä ei ole vuorovaikutusta ja superluminaalinen signaalin siirto on mahdotonta! Myöhemmissä kokeissa EPR-paradoksin olemassaolo vahvistettiin, vaikka EPR-parin hiukkaset olisivat eronneet toisistaan ​​noin 10 km:n etäisyydellä.

Nämä kokeet, jotka ovat täysin uskomattomia intuitiomme kannalta, ovat helposti selitettävissä kvanttiteorialla. Loppujen lopuksi EPR-pari on nimenomaan kaksi "kietoutunutta" hiukkasta, mikä tarkoittaa, että esimerkiksi hiukkasen A mittaustulos määrittää hiukkasen B mittaustuloksen.

On mielenkiintoista, että Einstein piti hiukkasten ennustettua käyttäytymistä EPR-pareissa "demonien toiminnan etäisyydellä" ja oli varma, että EPR-paradoksi osoittaa jälleen kerran kvanttimekaniikan epäjohdonmukaisuuden, jota tiedemies kieltäytyi hyväksymästä. Hän uskoi, että selitys paradoksille ei ollut vakuuttava, koska "jos kvanttiteorian mukaan havainnoija luo tai voi osittain luoda havaitun, niin hiiri voi luoda maailmankaikkeuden uudelleen vain katsomalla sitä".

Teleportaatiokokeet

Vuonna 1993 Charles Bennett ja hänen kollegansa keksivät, kuinka käyttää EPR-parien merkittäviä ominaisuuksia: he keksivät tavan siirtää objektin kvanttitila toiseen kvanttiobjektiin EPR-parin avulla ja kutsuivat tätä menetelmää kvanttiteleportaatioksi. Ja vuonna 1997 Anton Zeilingerin johtama kokeilijoiden ryhmä suoritti ensimmäistä kertaa fotonin tilan kvanttiteleportaation. Teleportaatiokaavio on kuvattu yksityiskohtaisesti liitteenä.

Rajoitukset ja turhautuminen

On olennaisen tärkeää, että kvanttiteleportaatio ei ole kohteen siirtoa, vaan vain yhden kohteen tuntemattoman kvanttitilan siirtoa toiseen kvanttiobjektiin. Teleportoidun kohteen kvanttitila ei vain jää meille mysteeriksi, vaan se myös tuhoutuu peruuttamattomasti. Mutta voimme olla täysin varmoja siitä, että olemme saaneet toisen kohteen identtisen tilan toisessa paikassa.

Ne, jotka odottivat teleportaation tapahtuvan välittömästi, ovat pettyneitä. Bennettin menetelmässä onnistunut teleportaatio edellyttää klassista viestintäkanavaa, mikä tarkoittaa, että teleportaationopeus ei voi ylittää tavallisen kanavan tiedonsiirtonopeutta.

Ja on vielä täysin tuntematonta, onko mahdollista siirtyä hiukkasten ja atomien tilojen teleportaatiosta makroskooppisten esineiden teleportaatioon.

Sovellus

Käytännön sovellus kvanttiteleportaatiolle löydettiin nopeasti - nämä ovat kvanttitietokoneita, joihin tiedot tallennetaan kvanttitilojen joukon muodossa. Tässä kvanttiteleportaatio osoittautui ihanteelliseksi tiedonsiirtomenetelmäksi, joka eliminoi pohjimmiltaan mahdollisuuden siepata ja kopioida lähetettyä tietoa.

Onko ihmisen vuoro?

Huolimatta kaikista kvanttiteleportaation alan nykyaikaisista edistysaskeleista, ihmisten teleportaation näkymät ovat edelleen hyvin epämääräiset. Tietysti haluan uskoa, että tiedemiehet keksivät jotain. Vuonna 1966 Stanislav Lem kirjoitti kirjassa "Teknologian summa": "Jos onnistumme syntetisoimaan Napoleonin atomeista (edellyttäen, että meillä on käytettävissämme "atomiinventaari"), Napoleonista tulee elävä henkilö. Jos otat tällaisen inventaarion keneltä tahansa henkilöltä ja lähetät sen "lennättimellä" vastaanottavaan laitteeseen, jonka laitteet vastaanotetun tiedon perusteella luovat uudelleen tämän henkilön kehon ja aivot, hän tulee ulos vastaanotosta. laite elossa ja terveenä."

Käytäntö tässä tapauksessa on kuitenkin paljon monimutkaisempaa kuin teoria. Joten sinun ja minun on epätodennäköistä, että joudumme matkustamaan ympäri maailmoja teleportaation avulla, varsinkin taatulla turvallisuudella, koska se vaatii vain yhden virheen ja voit muuttua merkityksettömäksi atomikokoelmaksi. Clifford Simakin romaanin kokenut galaktinen tarkastaja tietää tästä paljon ja ei turhaan usko, että "niiden, jotka ottavat aineen siirron etäältä, tulisi ensin oppia tekemään se kunnolla".

Fysiikan näkökulmasta tankin teleportointi pisteestä A pisteeseen B on hyvin yksinkertaista. Sinun on otettava säiliö pisteestä A, mitattava kaikki sen elementit, tehtävä piirustukset ja lähetettävä ne pisteeseen B. Kokoa sitten pisteessä B näiden piirustusten avulla sama säiliö. Mutta kvanttiobjektien kanssa tilanne on paljon monimutkaisempi.

Kaikki tässä maailmassa koostuu protoneista, neutroneista ja elektroneista, mutta nämä elementit ovat kaikki koottu eri tavalla ja liikkuvat eri tavalla. Tieteellisesti katsoen ne ovat eri kvanttitiloissa. Ja vaikka meillä olisi kone, joka voisi manipuloida yksittäisiä hiukkasia: koota niistä atomeja, atomeista molekyylejä, emme silti pystyisi teleporttamaan edes ameebaa. Tosiasia on, että pienten kvanttiobjektien kaikkia parametreja on mahdotonta mitata samanaikaisesti: voisimme silti purkaa kvanttisäiliön osiin, mutta emme voi enää mitata niitä.

Tämä on ongelma, jonka kvanttiteleportaatio ratkaisee. Sen avulla voit siirtää yhden kohteen ominaisuudet toiseen tyhjään kohteeseen: yhden atomin kvanttitila toiselle atomille, yhden elektronin nopeus ja koordinaatit toiseen elektroniin. Ajatuksena on, että ilman mitään mahdollisuutta tietää, missä tilassa alkuperäinen atomi on, voimme saada toisen atomin olemaan samassa tuntemattomassa, mutta tietyssä tilassa. Totta, tässä tapauksessa ensimmäisen atomin tila muuttuu peruuttamattomasti, ja saatuamme kopion menetämme alkuperäisen.

2

Teleportaatio on siis tilan siirtoa alkuperäisestä tyhjään atomiin. Tätä varten fyysikot ottavat erityisiä kaksoishiukkasia. Tähän rooliin soveltuu parhaiten yhden violetin fotonin hajoamisen seurauksena saatu punaisten fotonien pari. Näillä kaksoisfotoneilla on ainutlaatuinen kvanttiominaisuus: riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat, ne silti aistivat toisensa. Heti kun yhden fotonin tila muuttuu, toisen tila muuttuu välittömästi.

Joten kvanttitilan teleportoimiseksi pisteestä A pisteeseen B otetaan nämä kaksi fotonia. Toinen menee pisteeseen A, toinen pisteeseen B. Pisteessä A oleva fotoni on vuorovaikutuksessa atomin kanssa, jonka tila on siirrettävä pisteeseen B. Fotoni toimii tässä DHL-lähettinä - se tuli atomille, otti paketti asiakirjoja siitä, ja siten ikuisesti riistää häneltä nämä asiakirjat, mutta kerätä tarvittavat tiedot, jonka jälkeen hän astuu kuorma-autoon ja ottaa asiakirjat pois. Kohdassa B paketti vastaanottaa toisen fotonin ja vie sen uudelle omistajalleen.

Kohdassa B suoritetaan erikoismuunnoksia toisen fotonin kanssa ja sitten tämä fotoni on vuorovaikutuksessa toisen tyhjän atomin kanssa, johon haluttu kvanttitila siirtyy. Tämän seurauksena tyhjästä atomista tulee piste A atomi. Siinä se, kvanttiteleportaatio on tapahtunut.

Fysiikka on vielä hyvin kaukana ihmisen teleportaatiosta, mutta se on jo lähellä tiedustelu- ja turvallisuuspalveluita. Kvanttitilojen teleportaatiota voidaan käyttää erittäin arkaluonteisen tiedon välittämiseen. Tiedot koodataan fotonin kvanttitilalla, jonka jälkeen tila teleportoidaan vakoojilta toiselle. Jos vihollisen vakooja yrittää siepata tiedon, hänen on mitattava fotonin tila, mikä vahingoittaa sitä peruuttamattomasti ja johtaa virheisiin. Vakoilijamme huomaavat välittömästi nämä virheet ja arvaavat, että vihollinen salakuuntelee niitä. Kaikkea tätä kutsutaan kvanttisalaukseksi.

Mitä kvanttisekoittuminen on yksinkertaisilla sanoilla? Teleportaatio - onko se mahdollista? Onko teleportaation mahdollisuus kokeellisesti todistettu? Mikä on Einsteinin painajainen? Tässä artikkelissa saat vastaukset näihin kysymyksiin.

Teleportaatiota kohtaamme usein tieteiselokuvissa ja kirjoissa. Oletko koskaan miettinyt, miksi siitä, mitä kirjailijat keksivät, tulee lopulta todellisuuttamme? Kuinka he onnistuvat ennustamaan tulevaisuutta? Mielestäni tämä ei ole sattumaa. Tieteiskirjailijoilla on usein laajat tiedot fysiikasta ja muista tieteistä, mikä yhdistettynä heidän intuitioonsa ja poikkeukselliseen mielikuvitukseensa auttaa heitä rakentamaan retrospektiivisen analyysin menneestä ja simuloimaan tulevia tapahtumia.

Artikkelista opit:

• Mikä on kvanttisekoittuminen?

Konsepti "kvanttisidos" syntyi kvanttimekaniikan yhtälöistä johtuvasta teoreettisesta oletuksesta. Se tarkoittaa tätä: jos 2 kvanttihiukkasta (ne voivat olla elektroneja, fotoneja) osoittautuvat toisistaan ​​riippuviksi (kietoutuneiksi), yhteys säilyy, vaikka ne olisi erotettu universumin eri osiin

Kvanttikietoutumisen löytö selittää jollain tapaa teleportaation teoreettisen mahdollisuuden.

Lyhyesti siis pyöritä Kvanttihiukkasen (elektroni, fotoni) kutsutaan sen omaksi kulmaliikemääräksi. Spin voidaan esittää vektorina ja kvanttihiukkanen itse mikroskooppisena magneettina.

On tärkeää ymmärtää, että kun kukaan ei tarkkaile kvanttia, esimerkiksi elektronia, sillä on kaikki spin-arvot samanaikaisesti. Tätä kvanttimekaniikan peruskäsitettä kutsutaan "superpositioksi".

Kuvittele, että elektronisi pyörii myötä- ja vastapäivään samaan aikaan. Toisin sanoen hän on molemmissa spin-tiloissa kerralla (vektori spin ylös / vektori spin alas). Otettu käyttöön? OK. Mutta heti kun tarkkailija ilmestyy ja mittaa tilansa, elektroni itse määrittää, mikä spinvektori sen tulisi hyväksyä - ylös tai alas.

Haluatko tietää, miten elektronien spin mitataan? Se sijoitetaan magneettikenttään: elektronit, joiden spin on vastakkainen kentän suuntaan ja joiden spin on kentän suunnassa, poikkeavat eri suuntiin. Fotonispinit mitataan ohjaamalla ne polarisoivaan suodattimeen. Jos fotonin spin (tai polarisaatio) on "-1", se ei kulje suodattimen läpi, ja jos se on "+1", niin se kulkee.

Yhteenveto. Kun olet mitannut yhden elektronin tilan ja todennut, että sen spin on "+1", siihen liittyvä tai "kietoutunut" elektroni saa spin-arvon "-1". Ja heti, vaikka hän olisi Marsissa. Vaikka ennen toisen elektronin tilan mittaamista sillä oli molemmat spin-arvot samanaikaisesti ("+1" ja "-1").

Tämä matemaattisesti todistettu paradoksi ei pitänyt Einsteinista kovinkaan paljon. Koska se oli ristiriidassa hänen havaintonsa kanssa, ettei ole olemassa valon nopeutta suurempaa nopeutta. Mutta sotkeutuneiden hiukkasten käsite osoittautui: jos yksi kietoutuneista hiukkasista on maan päällä ja toinen on Marsissa, niin ensimmäinen hiukkanen, sillä hetkellä sen tila mitataan, siirtyy välittömästi (valon nopeutta nopeammin) 2. hiukkasen tiedot, mikä spin-arvo on hänen hyväksyttävä. Nimittäin: päinvastainen merkitys.

Einsteinin kiista Bohrin kanssa. Kuka on oikeassa?

Einstein kutsui "kvanttikietoutumista" SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (saksaksi) tai pelottava, aavemainen, yliluonnollinen toiminta etäältä.

Einstein ei hyväksynyt Bohrin tulkintaa kvanttihiukkasten sotkeutumisesta. Koska se oli ristiriidassa hänen teoriansa kanssa, jonka mukaan tietoa ei voida siirtää valon nopeutta nopeammin. Vuonna 1935 hän julkaisi artikkelin, jossa kuvattiin ajatuskokeilua. Tätä koetta kutsuttiin "Einstein-Podolsky-Rosenin paradoksiksi".

Einstein myönsi, että sidotut hiukkaset voivat olla olemassa, mutta keksi toisenlaisen selityksen välittömälle tiedonsiirrolle niiden välillä. Hän sanoi "kietoutuneita hiukkasia" pikemminkin kuin hansikkaat. Kuvittele, että sinulla on käsineet. Laitat vasemman yhteen matkalaukkuun ja oikean toiseen. Lähetit ensimmäisen matkalaukun ystävällesi ja toisen Kuuhun. Kun ystävä vastaanottaa matkalaukun, hän tietää, että matkalaukussa on joko vasen tai oikea käsine. Kun hän avaa matkalaukun ja näkee, että siinä on vasen hansikas, hän tietää heti, että Kuussa on oikea käsine. Ja tämä ei tarkoita, että ystävä vaikutti siihen, että vasen hansikas on matkalaukussa, eikä tarkoita, että vasen käsine välitti tiedon välittömästi oikealle. Tämä tarkoittaa vain sitä, että käsineiden ominaisuudet olivat alun perin samat siitä hetkestä lähtien, kun ne erotettiin. Nuo. kietoutuvat kvanttihiukkaset sisältävät aluksi tietoa tilastaan.

Joten kuka oli oikeassa, kun hän uskoi, että sidotut hiukkaset välittävät tietoa toisilleen välittömästi, vaikka ne olisivatkin eronneet suurilta etäisyyksiltä? Tai Einstein, joka uskoi, että yliluonnollista yhteyttä ei ole, ja kaikki on ennalta määrätty kauan ennen mittaushetkeä.

Tämä keskustelu siirtyi filosofian alalle 30 vuodeksi. Onko kiista ratkaistu sen jälkeen?

Bellin lause. Onko riita ratkaistu?

John Clauser, ollessaan vielä jatko-opiskelija Columbian yliopistossa, löysi vuonna 1967 irlantilaisen fyysikon John Bellin unohdetun työn. Se oli sensaatio: se käy ilmi Bell onnistui pääsemään umpikujasta Bohrin ja Einsteinin välillä.. Hän ehdotti molempien hypoteesien kokeellista testaamista. Tätä varten hän ehdotti koneen rakentamista, joka luo ja vertaa monia kietoutuneita hiukkasia. John Clauser alkoi kehittää tällaista konetta. Hänen koneensa pystyi luomaan tuhansia pareja kietoutuneita hiukkasia ja vertailla niitä eri parametrien mukaan. Kokeelliset tulokset osoittivat, että Bohr oli oikeassa.

Ja pian ranskalainen fyysikko Alain Aspe suoritti kokeita, joista yksi koski Einsteinin ja Bohrin välisen kiistan ydintä. Tässä kokeessa yhden hiukkasen mittaus saattoi vaikuttaa suoraan toiseen vain, jos signaali 1. - 2. välillä kulkisi valon nopeuden ylittävällä nopeudella. Mutta Einstein itse osoitti, että tämä on mahdotonta. Jäljelle jäi vain yksi selitys - selittämätön, yliluonnollinen yhteys hiukkasten välillä.

Kokeelliset tulokset osoittivat, että kvanttimekaniikan teoreettinen oletus on oikea. Kvanttikietoutuminen on todellisuutta ( Kvanttisidos Wikipedia). Kvanttihiukkaset voidaan yhdistää valtavista etäisyyksistä huolimatta. Yhden hiukkasen tilan mittaaminen vaikuttaa siitä kaukana sijaitsevan 2. hiukkasen tilaan ikään kuin niiden välistä etäisyyttä ei olisi olemassa. Yliluonnollista pitkän matkan viestintää todella tapahtuu.

Kysymys jää, onko teleportaatio mahdollista?

Onko teleportaatio vahvistettu kokeellisesti?

Vuonna 2011 japanilaiset tiedemiehet teleportoivat fotoneja ensimmäisinä maailmassa! Valonsäde siirtyi välittömästi pisteestä A pisteeseen B.

Jos haluat kaiken, mitä olet lukenut kvanttikettumisesta, selviää viidessä minuutissa, katso tämä upea video.

Nähdään pian!

Toivotan teille kaikille mielenkiintoisia, inspiroivia projekteja!

P.S. Jos artikkeli oli sinulle hyödyllinen ja ymmärrettävä, älä unohda jakaa sitä.

P.S. Kirjoita ajatuksesi ja kysymyksesi kommentteihin. Mistä muista kvanttifysiikkaa koskevista kysymyksistä olet kiinnostunut?

P.S. Tilaa blogi - tilauslomake artikkelin alla.