Runet belum pernah mengalami kehausan akan pengetahuan dalam mekanika kuantum seperti setelah publikasi di surat kabar Kommersant dari sebuah artikel yang menyebutkan rencana untuk memperkenalkan "teleportasi" di Rusia. Program Badan Inisiatif Strategis (ASI) untuk pengembangan teknologi Rusia, bagaimanapun, tidak terbatas pada "teleportasi", namun, istilah inilah yang menarik perhatian jejaring sosial dan media dan menjadi alasan banyak orang candaan.

Kemudian partikel terjerat dipisahkan ke jarak yang diperlukan - sehingga foton A dan B tetap di satu tempat, dan C di tempat lain. Sebuah kabel serat optik dijalankan di antara dua titik. Perhatikan bahwa jarak maksimum di mana teleportasi kuantum dilakukan sudah lebih dari 100 km.

Tugasnya adalah mentransfer keadaan kuantum dari partikel A yang tidak terjerat ke partikel C. Untuk melakukan ini, para ilmuwan mengukur properti kuantum foton A dan B. Hasil pengukuran kemudian diubah menjadi kode biner yang menceritakan tentang perbedaan antara partikel A dan B

Kode ini kemudian ditransmisikan melalui saluran komunikasi tradisional, serat optik, dan penerima pesan di ujung kabel yang lain, yang memiliki partikel C, menggunakan informasi ini sebagai instruksi atau kunci untuk memanipulasi partikel C. esensi, memulihkan partikel C ke keadaan yang dimiliki partikel C. partikel A. Akibatnya, partikel C menyalin keadaan kuantum partikel A - informasinya diteleportasi.

Untuk apa semua ini?

Pertama-tama, teleportasi kuantum direncanakan untuk digunakan dalam komunikasi kuantum dan teknologi kriptografi kuantum - keamanan jenis komunikasi ini terlihat menarik bagi bisnis dan negara, dan penggunaan teleportasi kuantum memungkinkan untuk menghindari hilangnya informasi saat foton bergerak sepanjang serat optik.

Misalnya, baru-baru ini diketahui tentang keberhasilan transfer informasi kuantum antara dua kantor Gazprombank di Moskow melalui serat optik sepanjang 30,6 kilometer. Proyek, di mana Pusat Quantum Rusia (RKC) bekerja, dan di mana Gazprombank dan Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia menginvestasikan 450 juta rubel, ternyata menjadi jalur komunikasi kuantum "kota" pertama di Rusia.

Arah lain adalah komputer kuantum, di mana partikel terjerat dapat digunakan sebagai qubit – unit informasi kuantum.

Ide lain adalah "internet kuantum": seluruh jaringan komunikasi yang hanya didasarkan pada komunikasi kuantum. Namun, untuk menerapkan konsep ini, para peneliti perlu “mempelajari cara mentransfer keadaan kuantum antara objek dengan sifat fisik yang berbeda - foton, atom, titik kuantum, sirkuit superkonduktor, dan sebagainya,” kata Alexander Lvovsky, karyawan RCC dan profesor di Universitas Calgary, dalam percakapan dengan publikasi N + 1. .

Perhatikan bahwa saat ini para ilmuwan sedang berteleportasi dalam keadaan dasar foton dan atom; objek yang lebih besar belum diteleportasi.

Teleportasi kuantum sebagai teleportasi "sama"

Rupanya, secara hipotetis, teleportasi kuantum masih dapat digunakan untuk membuat salinan objek besar, termasuk manusia - lagi pula, tubuh juga terdiri dari atom, keadaan kuantum yang dapat diteleportasi. Namun, pada tahap perkembangan teknologi saat ini, ini dianggap tidak mungkin dan dikaitkan dengan dunia fantasi.

“Kita terdiri dari oksigen, hidrogen, dan karbon, dengan sedikit elemen kimia lainnya. Jika kami mengumpulkan jumlah atom yang diperlukan dari elemen yang diperlukan, dan kemudian, menggunakan teleportasi, membawa mereka ke keadaan yang identik dengan keadaan mereka di tubuh orang yang diteleportasi, kami akan mendapatkan orang yang sama. Secara fisik tidak dapat dibedakan dari aslinya kecuali posisinya di ruang angkasa (bagaimanapun juga, partikel kuantum identik tidak dapat dibedakan). Tentu saja, saya melebih-lebihkan - seluruh keabadian memisahkan kita dari teleportasi manusia. Namun, inti dari masalahnya adalah ini: partikel kuantum identik ditemukan di mana-mana, tetapi sama sekali tidak mudah untuk membawanya ke keadaan kuantum yang diinginkan, ”kata Alexander Lvovsky dalam sebuah wawancara dengan N + 1.

Pada jarak sekitar 1200 kilometer - antara bumi dan luar angkasa! Para peneliti juga berencana untuk melakukan eksperimen serupa pada teleportasi kuantum antara Bumi dan Bulan.

Teleportasi ... Sebuah kata dari buku fiksi ilmiah, dari cerita tentang petualangan luar angkasa, di mana para pahlawan mengatasi jarak yang sangat jauh dalam hitungan detik menggunakan teleporter. Teleportasi kuantum tidak ada hubungannya dengan pergerakan objek yang sebenarnya. Dalam hal ini, apa itu dan mengapa disebut demikian? Tentang teleportasi kuantum AiF.ru kata kepala laboratorium fisika Museum Politeknik Yuri Mikhailovsky:

“Anda perlu memahami bahwa dengan teleportasi kuantum, tidak ada pergerakan objek dari satu tempat ke ruang lain, seperti halnya teleportasi dalam arti kata yang biasa. Dengan bantuan teleportasi kuantum, bukan objek itu sendiri yang berteleportasi, yaitu, ia langsung bergerak, tetapi keadaan objek ini! Secara kasar, kami memiliki objek tertentu yang memiliki status tertentu, dan dengan bantuan teleportasi kuantum, kami dapat mentransfer status ini ke tempat lain sehingga objek dengan sifat yang sama muncul di sana. (Di Cina, keadaan partikel antara dua titik di Bumi akan ditransmisikan menggunakan satelit luar angkasa, yang akan dimasukkan ke orbit demi eksperimen ini - red.) Tetapi tentang objek - secara kondisional. Mari saya jelaskan: sekarang kita tidak tahu bagaimana mentransfer keadaan objek yang kompleks. Ini tentang menyampaikan keadaan atom atau foton individu, tidak lebih.

Untuk menerapkan teleportasi kuantum, Anda perlu membuat pasangan terjerat kuantum. Untuk mempermudah, kita akan berbicara tentang satu keadaan, keadaan putaran partikel. Itu bisa dalam dua keadaan: berputar ke atas dan ke bawah. Kami akan mencoba untuk menyampaikan negara-negara ini. Jadi, kami mencoba membuat apa yang disebut pasangan terjerat kuantum (biasanya sepasang foton cahaya). Ini diatur sedemikian rupa sehingga total putarannya adalah nol. Artinya, satu foton memiliki putaran ke atas, yang lain memiliki putaran ke bawah, ketika kita membuat pasangan ini, jumlahnya nol. Pada saat yang sama, kita tidak hanya tidak tahu ke mana arah foton, tetapi foton itu sendiri tidak tahu ke mana arah putarannya. Mereka berada dalam apa yang disebut keadaan campuran, tidak terbatas. Mungkin berputar ke atas, mungkin ke bawah, tidak ada yang tahu sampai tindakan pengukuran dilakukan.

Tetapi kami memiliki jaminan bahwa jika kami mengukur satu putaran dan itu melihat ke atas, maka putaran foton lainnya akan melihat ke bawah. Sekarang mari kita ambil dua foton yang terjerat dan menyebarkannya ke jarak yang jauh, misalnya satu kilometer. Dan di sini kita mengambil salah satu foton dan mengukur keadaannya. Kami menentukan bahwa ia memiliki putaran ke atas, dan pada saat ini, pada jarak satu kilometer, putaran foton campuran lainnya berubah menjadi keadaan dengan putaran ke bawah. Dengan tindakan mengukur satu foton, kami mengubah keadaan foton lain.

Biasanya kedua foton yang terjerat ini disebut Ansila dan Bob.

Efek belitan kuantum ini digunakan untuk teleportasi. Kami memiliki putaran yang ingin kami teleportasi, biasanya disebut Alice. Jadi, putaran total Alice dan Ansila diukur, dan pada saat ini Bob menerima status Alice, atau mengkonjugasikannya (berlawanan). Soal yang mana, kita pelajari dari hasil pengukuran. Setelah itu, kita perlu mentransfer informasi ini melalui saluran komunikasi biasa. Haruskah Bob diserahkan atau tidak.

Jika, misalnya, kami mengirimkan status 10 putaran, maka untuk menyelesaikan teleportasi, perlu mengirim pesan seperti: "Ubah ke status berlawanan 1, 3, 5, 6 dan 8".

Beginilah cara kerja teleportasi kuantum.

Sebuah studi kunci yang membuktikan kemungkinan fundamental teleportasi kuantum foton.

Ini diperlukan untuk pembuktian fisik mendasar dari kemungkinan mendasar dari terjemahan jauh informasi genetik dan metabolisme menggunakan foton terpolarisasi (berputar). Bukti yang berlaku untuk kedua in vitro (menggunakan laser) dan terjemahan in vivo, yaitu. dalam biosistem itu sendiri antar sel.

Teleportasi kuantum eksperimental

Teleportasi kuantum telah didemonstrasikan secara eksperimental - transfer dan pemulihan keadaan sistem kuantum pada jarak sewenang-wenang. Dalam proses teleportasi, foton primer terpolarisasi, dan polarisasi ini adalah keadaan yang ditransmisikan dari jarak jauh. Dalam hal ini, sepasang foton terjerat adalah objek pengukuran, di mana foton kedua dari pasangan terjerat dapat secara sewenang-wenang jauh dari yang awal. Teleportasi kuantum akan menjadi elemen kunci dalam jaringan komputasi kuantum.

Arti mimpi teleportasi adalah mimpi bisa melakukan perjalanan hanya dengan muncul di kejauhan. Objek teleportasi dapat sepenuhnya dicirikan oleh sifat-sifatnya oleh fisika klasik melalui pengukuran. Untuk membuat salinan objek ini pada jarak tertentu, tidak perlu memindahkan bagian atau fragmennya ke sana. Semua yang diperlukan untuk transfer semacam itu adalah informasi lengkap tentangnya yang diambil dari objek, yang dapat digunakan untuk membuat ulang objek. Tetapi seberapa akurat informasi ini untuk menghasilkan salinan yang tepat dari aslinya? Bagaimana jika bagian dan fragmen ini diwakili oleh elektron, atom, dan molekul? Apa yang akan terjadi pada masing-masing sifat kuantumnya, yang menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, tidak dapat diukur dengan presisi yang sewenang-wenang?
Bennett dkk membuktikan bahwa adalah mungkin untuk mentransfer keadaan kuantum dari satu partikel ke partikel lain, yaitu. proses teleportasi kuantum, yang tidak memastikan transmisi informasi apa pun tentang keadaan ini dalam proses transmisi. Kesulitan ini dapat dihilangkan dengan menggunakan prinsip keterjeratan sebagai sifat khusus mekanika kuantum. Ini memetakan korelasi antara sistem kuantum jauh lebih ketat daripada yang bisa dilakukan oleh korelasi klasik mana pun. Kemampuan untuk mentransfer informasi kuantum adalah salah satu struktur dasar komunikasi kuantum gelombang dan komputasi kuantum. Meskipun ada kemajuan pesat dalam deskripsi pemrosesan informasi kuantum, kesulitan dalam mengendalikan sistem kuantum tidak memungkinkan kemajuan yang memadai dalam implementasi eksperimental proposal baru. Meskipun tidak menjanjikan kemajuan pesat dalam kriptografi kuantum (pertimbangan utama untuk mentransfer data rahasia), kami sebelumnya hanya berhasil membuktikan kemungkinan pengkodean padat kuantum sebagai cara untuk meningkatkan kompresi data secara mekanis kuantum. Alasan utama untuk kemajuan eksperimen yang lambat ini adalah bahwa meskipun ada metode untuk menghasilkan pasangan foton terjerat, keadaan terjerat untuk atom baru mulai dipelajari dan tidak lebih mungkin daripada keadaan terjerat untuk dua kuanta.
Di sini kami menerbitkan verifikasi eksperimental pertama dari teleportasi kuantum. Dengan membuat pasangan foton terjerat menggunakan proses konversi parametrik ke bawah, dan juga dengan menggunakan interferometri dua foton untuk menganalisis proses keterjeratan, kami dapat mentransfer sifat kuantum (dalam kasus kami, keadaan polarisasi) dari satu foton ke foton lainnya. Metode yang dikembangkan dalam percobaan ini akan sangat penting baik untuk penelitian di bidang komunikasi kuantum dan untuk percobaan masa depan tentang dasar-dasar mekanika kuantum.

Pada Juni 2013, sekelompok fisikawan yang dipimpin oleh Eugene Polzik berhasil melakukan percobaan pada teleportasi deterministik dari putaran kolektif 10 12 atom cesium sejauh setengah meter. Karya ini ditampilkan di sampul. fisika alam. Mengapa ini adalah hasil yang sangat penting, apa kesulitan eksperimental, dan, akhirnya, apa itu "teleportasi kuantum deterministik" "Lente.ru" diberitahu oleh profesor dan anggota komite eksekutif Pusat Quantum Rusia (RKC) Eugene Polzik.

"Lenta.ru": Apa itu "teleportasi kuantum"?

Untuk memahami bagaimana teleportasi kuantum berbeda dari apa yang kita lihat, misalnya, dalam seri Star Trek, Anda perlu memahami satu hal sederhana. Dunia kita diatur sedemikian rupa sehingga jika kita ingin mengetahui sesuatu tentang sesuatu, maka dalam detail terkecil kita akan selalu membuat kesalahan. Jika, misalnya, kita mengambil atom biasa, maka tidak mungkin untuk secara bersamaan mengukur kecepatan gerakan dan posisi elektron di dalamnya (inilah yang disebut prinsip ketidakpastian Heisenberg). Artinya, Anda tidak dapat merepresentasikan hasil sebagai urutan nol dan satu.

Dalam mekanika kuantum, bagaimanapun, adalah tepat untuk mengajukan pertanyaan ini: bahkan jika hasilnya tidak dapat dituliskan, mungkin masih dapat dikirim? Proses pengiriman informasi di luar akurasi pengukuran klasik ini disebut teleportasi kuantum.

Kapan teleportasi kuantum pertama kali muncul?

Eugene Polzik, Profesor Institut Niels Bohr, Universitas Kopenhagen (Denmark), Anggota Komite Eksekutif Pusat Quantum Rusia

Pada tahun 1993, enam fisikawan - Bennett, Brossard, dan lainnya - menulis dalam Surat Tinjauan Fisik artikel (pdf), di mana mereka datang dengan terminologi yang indah untuk teleportasi kuantum. Luar biasa juga karena terminologi ini memiliki efek yang sangat positif pada publik sejak saat itu. Dalam pekerjaan mereka, protokol transfer informasi kuantum dijelaskan murni secara teoritis.

Pada tahun 1997, teleportasi kuantum foton pertama dilakukan (pada kenyataannya, ada dua percobaan - kelompok Zaillinger dan De Martini; Zaillinger hanya dikutip lebih). Dalam pekerjaan mereka, mereka menteleportasi polarisasi foton - arah polarisasi ini adalah kuantitas kuantum, yaitu kuantitas yang mengambil nilai yang berbeda dengan probabilitas yang berbeda. Ternyata, nilai ini tidak dapat diukur, tetapi dapat diteleportasi.

Berikut adalah sesuatu yang perlu dipertimbangkan: dalam eksperimen Zaillinger dan De Martini, teleportasi bersifat probabilistik, artinya, ia bekerja dengan probabilitas keberhasilan tertentu. Mereka berhasil mencapai probabilitas setidaknya 67 (2/3) persen - apa yang dalam bahasa Rusia pantas disebut batas klasik.

Teleportasi yang dimaksud disebut probabilistik. Pada tahun 1998, kami di Caltech melakukan sesuatu yang disebut teleportasi deterministik. Kami telah memindahkan fase dan amplitudo pulsa cahaya. Mereka, seperti yang dikatakan fisikawan, seperti kecepatan dan lokasi elektron, adalah "variabel non-komuter", dan karena itu mematuhi prinsip Heisenberg yang telah disebutkan. Artinya, mereka tidak mengizinkan pengukuran simultan.

Sebuah atom dapat dianggap sebagai magnet kecil. Arah magnet ini adalah arah putaran. Anda dapat mengontrol orientasi "magnet" semacam itu menggunakan medan magnet dan cahaya. Foton - partikel cahaya - juga memiliki putaran, yang juga disebut polarisasi.

Apa perbedaan antara teleportasi probabilistik dan deterministik?

Untuk menjelaskannya, pertama-tama kita perlu berbicara lebih banyak tentang teleportasi. Bayangkan bahwa di titik A dan B ada atom, untuk memudahkan - satu per satu. Kami ingin menteleportasi, katakanlah, putaran atom dari A ke B, yaitu, membawa atom di titik B ke keadaan kuantum yang sama dengan atom A. Seperti yang saya katakan, satu saluran komunikasi klasik tidak cukup untuk ini, jadi dua saluran diperlukan - satu klasik, kuantum lain. Sebagai pembawa informasi kuantum, kita memiliki kuanta cahaya.

Pertama, kita melewatkan cahaya melalui atom B. Terjadi proses keterjeratan, sebagai akibatnya terjadi hubungan antara cahaya dan putaran atom. Ketika cahaya tiba di A, kita dapat mengasumsikan bahwa saluran komunikasi kuantum telah terbentuk di antara dua titik. Cahaya, melewati A, membaca informasi dari atom dan setelah itu cahaya ditangkap oleh detektor. Momen inilah yang dapat dianggap sebagai momen transmisi informasi melalui saluran kuantum.

Sekarang tinggal mentransfer hasil pengukuran melalui saluran klasik ke B, sehingga, berdasarkan data ini, beberapa transformasi dilakukan pada putaran atom (misalnya, medan magnet diubah). Akibatnya, di titik B, atom menerima keadaan spin atom A. Teleportasi selesai.

Namun, pada kenyataannya, foton yang berjalan melalui saluran kuantum hilang (misalnya, jika saluran ini adalah serat optik biasa). Perbedaan utama antara teleportasi probabilistik dan deterministik justru terletak pada sikap terhadap kerugian ini. Probabilistik tidak peduli berapa banyak yang hilang di sana - jika setidaknya satu dari satu juta foton telah tercapai, maka itu bagus. Dalam hal ini, tentu saja, lebih cocok untuk mengirim foton jarak jauh ( saat ini rekornya adalah 143 kilometer - kira-kira. "Tape.ru"). Teleportasi deterministik, di sisi lain, memiliki sikap yang lebih buruk terhadap kerugian - secara umum, semakin tinggi kerugian, semakin buruk kualitas teleportasi, yaitu, di ujung penerima, keadaan kuantum yang tidak terlalu asli diperoleh - tetapi bekerja setiap saat, terus terang, Anda menekan tombol.

Keadaan terjerat cahaya dan atom pada dasarnya adalah keadaan terjerat dari putarannya. Jika spin, katakanlah, sebuah atom dan foton terjerat, maka pengukuran parameternya, seperti yang dikatakan fisikawan, berkorelasi. Artinya, misalnya, jika pengukuran putaran foton menunjukkan arah ke atas, maka putaran atom akan diarahkan ke bawah; jika putaran foton ternyata mengarah ke kanan, maka putaran atom akan diarahkan ke kiri, begitu seterusnya. Triknya adalah sebelum pengukuran, baik foton maupun atom tidak memiliki arah putaran yang pasti. Bagaimana mungkin, meskipun demikian, mereka berkorelasi? Di sinilah "putaran kepala dari mekanika kuantum" harus dimulai, seperti yang dikatakan Niels Bohr.

Eugene Polzik

Dan bagaimana mereka berbeda dalam ruang lingkup?

Probabilistik, seperti yang saya katakan, cocok untuk transmisi data jarak jauh. Katakanlah, jika di masa depan kita ingin membangun Internet kuantum, maka kita akan membutuhkan jenis teleportasi ini. Adapun yang deterministik, dapat berguna untuk menteleportasi beberapa proses.

Di sini kita harus segera mengklarifikasi: sekarang tidak ada batas yang jelas antara kedua jenis teleportasi ini. Misalnya, di Pusat Quantum Rusia (dan tidak hanya di dalamnya), sistem komunikasi kuantum "hibrida" sedang dikembangkan, di mana sebagian pendekatan probabilistik dan sebagian deterministik digunakan.

Dalam pekerjaan kami, proses teleportasi adalah, Anda tahu, stroboskopik - kami belum berbicara tentang teleportasi berkelanjutan.

Jadi ini adalah proses yang terpisah?

Ya. Faktanya, teleportasi negara, tentu saja, hanya dapat terjadi sekali. Salah satu hal yang dilarang mekanika kuantum adalah kloning keadaan. Artinya, jika Anda memindahkan sesuatu, maka Anda menghancurkannya.

Ceritakan kepada kami tentang apa yang telah dicapai kelompok Anda.

Kami memiliki ansambel atom cesium, dan kami menteleportasi putaran kolektif sistem. Gas kita berada di bawah pengaruh laser dan medan magnet, sehingga putaran atom berorientasi kurang lebih sama. Pembaca yang tidak siap dapat membayangkannya seperti ini - tim kami adalah jarum magnet yang besar.

Panah memiliki arah yang tidak pasti (ini berarti bahwa putaran diorientasikan "kurang lebih" sama), yang sama di Heisenberg. Tidak mungkin mengukur arah ketidakpastian ini secara akurat, tetapi teleportasi posisi sangat mungkin dilakukan. Besarnya ketidakpastian ini adalah satu per akar kuadrat dari jumlah atom.

Di sini penting untuk melakukan penyimpangan. Sistem favorit saya adalah gas atom pada suhu kamar. Masalah dengan sistem ini adalah: pada suhu kamar, keadaan kuantum dengan cepat berantakan. Namun, dalam kasus kami, status putaran ini hidup untuk waktu yang sangat lama. Dan ini tercapai berkat kerja sama dengan ilmuwan dari St. Petersburg.

Mereka mengembangkan pelapis yang secara ilmiah disebut pelapis alkena. Sebenarnya, itu adalah sesuatu yang sangat mirip dengan parafin. Jika Anda menyemprot lapisan seperti itu di bagian dalam sel kaca dengan gas, maka molekul gas terbang (dengan kecepatan 200 meter per detik) dan bertabrakan dengan dinding, tetapi tidak ada yang terjadi pada putarannya. Mereka dapat menahan sekitar satu juta tabrakan. Saya memiliki representasi visual dari proses ini: penutupnya seperti seluruh hutan tanaman merambat, sangat besar, dan untuk memanjakan punggung Anda, Anda perlu mentransfer putaran Anda kepada seseorang. Dan di sana semuanya begitu besar dan terhubung sehingga tidak ada orang yang bisa menyebarkannya, jadi dia masuk ke sana, menggelepar dan terbang kembali, dan tidak ada yang terjadi padanya. Kami mulai bekerja dengan pelapis ini 10 tahun yang lalu. Sekarang mereka telah ditingkatkan dan membuktikan bahwa adalah mungkin untuk bekerja dengan mereka di bidang kuantum.

Jadi, kembali ke atom cesium kita. Mereka berada pada suhu kamar (ini juga bagus karena pelapis alkena tidak tahan suhu tinggi, dan untuk mendapatkan gas, sesuatu biasanya perlu diuapkan, yaitu dipanaskan).

Anda telah melakukan teleportasi putaran setengah meter. Apakah jarak sekecil itu merupakan batasan mendasar?

Tentu saja tidak. Seperti yang saya katakan, teleportasi deterministik tidak mengalami kerugian, jadi pulsa laser kami melewati ruang terbuka - jika kami mengarahkannya kembali ke serat, akan selalu ada semacam kehilangan. Secara umum, jika Anda terlibat dalam futurisme di sana, maka sangat mungkin untuk menembak satelit dengan sinar yang sama, yang akan meneruskan sinyal ke tempat yang tepat.

Anda mengatakan bahwa Anda memiliki rencana untuk teleportasi terus menerus?

Ya. Hanya di sini kesinambungan harus dipahami dalam beberapa pengertian. Di satu sisi, kami memiliki 10 12 atom dalam pekerjaan, sehingga diskrit dari arah putaran kolektif sangat kecil sehingga memungkinkan untuk menggambarkan putaran dengan variabel kontinu. Dalam hal ini, teleportasi kami terus menerus.

Di sisi lain, jika prosesnya berubah dalam waktu, maka kita dapat berbicara tentang kontinuitasnya dalam waktu. Jadi saya bisa melakukan hal berikut. Proses ini memiliki, katakanlah, semacam konstanta waktu - katakanlah itu terjadi dalam milidetik, jadi saya mengambilnya dan memecahnya menjadi mikrodetik, dan "ledakan" diteleportasi setelah mikrodetik pertama; maka Anda harus kembali ke keadaan awal.

Setiap teleportasi seperti itu, tentu saja, menghancurkan keadaan teleportasi, namun, eksitasi eksternal yang disebabkan oleh proses ini tidak menyentuh. Oleh karena itu, pada dasarnya, kita sedang menteleportasikan integral tertentu. Kita dapat "memperluas" integral ini dan mempelajari sesuatu tentang eksitasi eksternal. Sebuah makalah teoretis di mana semua ini diusulkan baru saja muncul di Surat Tinjauan Fisik.

Faktanya, teleportasi bolak-balik seperti itu dapat digunakan untuk hal-hal yang sangat dalam. Saya memiliki sesuatu yang terjadi di sini, dan sesuatu sedang terjadi di sini, dan dengan bantuan saluran teleportasi saya dapat mensimulasikan interaksi - seolah-olah dua putaran ini, yang tidak pernah berinteraksi satu sama lain, benar-benar berinteraksi. Itu adalah simulasi kuantum.

Dan simulasi kuantum adalah apa yang semua orang lakukan sekarang. Alih-alih memfaktorkan ke dalam jutaan digit, Anda bisa mensimulasikan saja. Ingat gelombang D yang sama.

Bisakah teleportasi deterministik digunakan di komputer kuantum?

Mungkin, tapi kemudian akan perlu untuk memindahkan qubit. Di sini segala macam algoritma koreksi kesalahan sudah diperlukan. Dan mereka baru mulai dikembangkan.

Profesor Fakultas Fisika di Universitas Calgary (Kanada), anggota Institut Studi Tinggi Kanada Alexander Lvovsky mencoba menjelaskan secara sederhana prinsip-prinsip teleportasi kuantum dan kriptografi kuantum.

Kunci ke kastil

Kriptografi adalah seni berkomunikasi dengan aman melalui saluran yang tidak aman. Artinya, Anda memiliki saluran tertentu yang dapat didengarkan, dan Anda perlu mengirimkan pesan rahasia di atasnya yang tidak dapat dibaca orang lain.

Bayangkan, katakanlah, jika Alice dan Bob memiliki apa yang disebut kunci rahasia, yaitu urutan rahasia nol dan yang tidak dimiliki orang lain, mereka dapat mengenkripsi pesan menggunakan kunci ini, menggunakan operasi OR eksklusif sehingga nol cocok dengan nol, dan satu dengan satu. Pesan terenkripsi seperti itu sudah dapat ditransmisikan melalui saluran terbuka. Jika ada yang menyadapnya, tidak apa-apa, karena tidak ada yang bisa membacanya, kecuali Bob yang memiliki salinan kunci rahasianya.

Dalam kriptografi apa pun, dalam komunikasi apa pun, sumber daya yang paling mahal adalah urutan acak nol dan satu, yang hanya dimiliki oleh dua orang yang berkomunikasi. Tetapi dalam kebanyakan kasus, kriptografi kunci publik digunakan. Katakanlah Anda membeli sesuatu dengan kartu kredit di toko online menggunakan protokol HTTPS yang aman. Menurutnya, komputer Anda sedang berbicara dengan beberapa server yang belum pernah berkomunikasi sebelumnya, dan tidak memiliki kesempatan untuk bertukar kunci rahasia dengan server ini.

Misteri dialog ini disediakan dengan memecahkan masalah matematika yang kompleks, khususnya, dekomposisi menjadi faktor prima. Sangat mudah untuk mengalikan dua bilangan prima, tetapi jika tugas sudah diberikan untuk menemukan produk mereka, untuk menemukan dua faktor, maka itu sulit. Jika jumlahnya cukup besar, akan membutuhkan perhitungan bertahun-tahun dari komputer konvensional.

Namun, jika komputer ini tidak biasa, tetapi kuantum, itu akan menyelesaikan masalah seperti itu dengan mudah. Ketika akhirnya ditemukan, cara yang banyak digunakan di atas akan terbukti sia-sia, yang diperkirakan akan membawa malapetaka bagi masyarakat.

Jika Anda ingat, di buku pertama Harry Potter, protagonis harus melalui keamanan untuk sampai ke Batu Bertuah. Ada yang serupa di sini: bagi mereka yang telah menetapkan perlindungan, akan mudah untuk melewatinya. Itu sangat sulit bagi Harry, tetapi pada akhirnya dia masih bisa mengatasinya.

Contoh ini menggambarkan kriptografi kunci publik dengan sangat baik. Siapa pun yang tidak mengenalnya pada prinsipnya dapat menguraikan pesan, tetapi itu akan sangat sulit baginya, dan ini berpotensi memakan waktu bertahun-tahun. Kriptografi kunci publik tidak memberikan keamanan mutlak.

kriptografi kuantum

Semua ini menjelaskan perlunya kriptografi kuantum. Dia memberi kita yang terbaik dari kedua dunia. Ada metode pad satu kali, dapat diandalkan, tetapi, di sisi lain, membutuhkan kunci rahasia "mahal". Agar Alice dapat berkomunikasi dengan Bob, dia harus mengiriminya kurir dengan koper penuh cakram berisi kunci tersebut. Dia akan mengkonsumsinya secara bertahap, karena masing-masing hanya dapat digunakan sekali. Di sisi lain, kami memiliki metode kunci publik, yang "murah" tetapi tidak memberikan keamanan mutlak.

Kriptografi kuantum, di satu sisi, "murah", memungkinkan transmisi kunci yang aman melalui saluran yang dapat diretas, dan di sisi lain, menjamin kerahasiaan karena hukum dasar fisika. Artinya adalah untuk mengkodekan informasi dalam keadaan kuantum foton individu.

Sesuai dengan postulat fisika kuantum, keadaan kuantum pada saat dicoba untuk diukur dihancurkan dan diubah. Jadi, jika ada mata-mata di saluran antara Alice dan Bob yang mencoba menguping atau mengintip, dia pasti akan mengubah keadaan foton, komunikan akan melihat bahwa saluran sedang disadap, menghentikan komunikasi dan mengambil tindakan.

Tidak seperti banyak teknologi kuantum lainnya, kriptografi kuantum bersifat komersial, bukan fiksi ilmiah. Sudah, ada perusahaan yang memproduksi server yang terhubung ke jalur serat optik konvensional, di mana Anda dapat berkomunikasi dengan aman.

Cara kerja beam splitter polarisasi

Cahaya adalah gelombang elektromagnetik transversal, berosilasi tidak sepanjang, tetapi melintasi. Sifat ini disebut polarisasi, dan ia hadir bahkan dalam foton individu. Mereka dapat digunakan untuk mengkodekan informasi. Misalnya, foton horizontal adalah nol dan foton vertikal adalah satu (hal yang sama berlaku untuk foton dengan polarisasi plus 45 derajat dan minus 45 derajat).

Alice mengkodekan informasi dengan cara ini, dan Bob harus menerimanya. Untuk ini, perangkat khusus digunakan - pembagi berkas polarisasi, kubus yang terdiri dari dua prisma yang direkatkan. Ini mentransmisikan aliran terpolarisasi horizontal dan mencerminkan aliran terpolarisasi vertikal, karena informasi yang diterjemahkan. Jika foton horizontal adalah nol dan foton vertikal adalah satu, maka satu detektor akan mengklik dalam kasus nol logis, dan yang lainnya dalam kasus satu.

Tapi apa yang terjadi jika kita mengirim foton diagonal? Kemudian kecelakaan kuantum yang terkenal mulai berperan. Mustahil untuk mengatakan apakah foton seperti itu akan lewat atau dipantulkan - ia akan melakukan salah satu atau yang lain dengan probabilitas 50 persen. Memprediksi perilakunya pada prinsipnya tidak mungkin. Selain itu, properti ini mendasari generator nomor acak komersial.

Apa yang harus kita lakukan jika tugas kita adalah membedakan polarisasi plus 45 derajat dan minus 45 derajat? Pemisah balok perlu diputar di sekitar sumbu balok. Kemudian hukum keacakan kuantum akan bekerja untuk foton dengan polarisasi horizontal dan vertikal. Properti ini sangat mendasar. Kita tidak dapat menanyakan polarisasi apa yang dimiliki foton ini.

Prinsip kriptografi kuantum

Apa ide di balik kriptografi kuantum? Misalkan Alice mengirimkan foton ke Bob, yang dia encode secara horizontal-vertikal atau diagonal. Bob juga melempar koin, memutuskan secara acak apakah basisnya akan horizontal-vertikal atau diagonal. Jika metode penyandian mereka cocok, Bob akan menerima data yang dikirim oleh Alice, jika tidak, maka omong kosong. Mereka melakukan operasi ini ribuan kali, dan kemudian "menelepon" melalui saluran terbuka dan memberi tahu satu sama lain dalam basis apa mereka melakukan transfer - kita dapat berasumsi bahwa informasi ini sekarang tersedia untuk siapa saja. Selanjutnya, Bob dan Alice akan dapat menyingkirkan peristiwa-peristiwa di mana pangkalan-pangkalannya berbeda, dan meninggalkan peristiwa-peristiwa di mana mereka sama (akan ada sekitar setengahnya).

Misalkan beberapa mata-mata telah terjepit, yang ingin menguping pesan, tetapi dia juga perlu mengukur informasi dalam beberapa dasar. Bayangkan bahwa Alice dan Bob memiliki hal yang sama, tetapi mata-mata tidak. Dalam situasi di mana data dikirim secara horizontal-vertikal, dan penyadap mengukur transmisi secara diagonal, dia akan menerima nilai acak dan meneruskan beberapa foton sewenang-wenang ke Bob, karena dia tidak tahu apa yang seharusnya. Dengan demikian, gangguannya akan diperhatikan.

Masalah terbesar dalam kriptografi kuantum adalah kerugian. Bahkan serat terbaik dan paling modern pun memberikan 50 persen kehilangan untuk setiap 10-12 kilometer kabel. Katakanlah kita mengirim kunci rahasia kita dari Moskow ke St. Petersburg - sejauh 750 kilometer, dan hanya satu dari satu miliar miliar foton yang akan mencapai tujuan. Semua ini membuat teknologi benar-benar tidak praktis. Itulah sebabnya kriptografi kuantum modern hanya bekerja pada jarak sekitar 100 kilometer. Secara teoritis, diketahui bagaimana menyelesaikan masalah ini - dengan bantuan repeater kuantum, tetapi implementasinya membutuhkan teleportasi kuantum.

keterikatan kuantum

Definisi ilmiah dari keterjeratan kuantum adalah keadaan superposisi yang terdelokalisasi. Kedengarannya rumit, tetapi contoh sederhana dapat diberikan. Misalkan kita memiliki dua foton: horizontal dan vertikal, yang keadaan kuantumnya saling bergantung. Kami mengirim salah satunya ke Alice, dan yang lainnya ke Bob, yang melakukan pengukuran pada pembagi berkas polarisasi.

Ketika pengukuran ini dilakukan dalam basis horizontal-vertikal yang biasa, jelas bahwa hasilnya akan berkorelasi. Jika Alice memperhatikan foton horizontal, maka foton kedua, tentu saja, akan vertikal, dan sebaliknya. Ini dapat dibayangkan dengan cara yang lebih sederhana: kami memiliki bola biru dan merah, kami menyegelnya masing-masing dalam amplop tanpa melihat dan mengirimkannya ke dua penerima - jika satu menerima merah, yang kedua pasti akan menerima biru.

Tetapi dalam kasus belitan kuantum, masalahnya tidak terbatas pada ini. Korelasi ini terjadi tidak hanya dalam basis horizontal-vertikal, tetapi juga dalam basis lainnya. Misalnya, jika Alice dan Bob memutar beamsplitter mereka 45 derajat pada saat yang sama, mereka akan kembali memiliki kecocokan yang sempurna.

Ini adalah fenomena kuantum yang sangat aneh. Katakanlah Alice entah bagaimana memutar pemecah sinarnya dan menemukan beberapa foton dengan polarisasi yang melewatinya. Jika Bob mengukur foton dengan dasar yang sama, ia akan menemukan polarisasi 90 derajat +α.

Jadi, pada awalnya kita memiliki status keterjeratan: foton Alice sama sekali tidak terdefinisi dan foton Bob sama sekali tidak terdefinisi. Ketika Alice mengukur foton-nya, menemukan beberapa nilai, sekarang kita tahu persis foton mana yang dimiliki Bob, tidak peduli seberapa jauh jaraknya. Efek ini telah berulang kali dikonfirmasi oleh eksperimen, ini bukan fantasi.

Misalkan Alice memiliki foton tertentu dengan polarisasi , yang belum diketahuinya, yaitu dalam keadaan yang tidak diketahui. Tidak ada saluran langsung antara dia dan Bob. Jika ada saluran, maka Alice akan dapat mendaftarkan status foton dan menyampaikan informasi ini kepada Bob. Tetapi tidak mungkin untuk mengetahui keadaan kuantum dalam satu pengukuran, sehingga metode ini tidak cocok. Namun, antara Alice dan Bob ada sepasang foton terjerat yang telah disiapkan sebelumnya. Karena ini, dimungkinkan untuk membuat foton Bob mengambil keadaan awal foton Alice, "ditelepon" kemudian pada saluran telepon bersyarat.

Berikut adalah klasik (walaupun analog yang sangat jauh) dari semua ini. Alice dan Bob masing-masing menerima balon merah atau biru di dalam amplop. Alice ingin mengirimi Bob informasi tentang apa yang dia miliki. Untuk melakukan ini, dia perlu, setelah "menelepon" Bob, membandingkan bola, mengatakan kepadanya "Saya memiliki yang sama" atau "Kami memiliki yang berbeda". Jika seseorang menguping pada baris ini, itu tidak akan membantunya untuk mengenali warna mereka.

Dengan demikian, ada empat opsi untuk hasil acara (dengan syarat, penerima memiliki balon biru, balon merah, merah dan biru, atau biru dan merah). Mereka menarik karena mereka membentuk dasar. Jika kita memiliki dua foton dengan polarisasi yang tidak diketahui, maka kita dapat "mengajukan pertanyaan kepada mereka" di mana dari keadaan ini, dan mendapatkan jawaban. Tetapi jika setidaknya salah satu dari mereka terjerat dengan beberapa foton lain, maka efek persiapan jarak jauh akan terjadi, dan yang ketiga, foton jarak jauh akan "mempersiapkan" dalam keadaan tertentu. Inilah yang didasarkan pada teleportasi kuantum.

Bagaimana cara kerjanya? Kami memiliki keadaan terjerat dan foton yang ingin kami teleportasi. Alice harus melakukan pengukuran yang tepat dari foton asli yang diteleportasi dan menanyakan keadaan foton lainnya. Secara acak, dia menerima satu dari empat kemungkinan jawaban. Sebagai hasil dari efek memasak jarak jauh, ternyata setelah pengukuran ini, tergantung pada hasilnya, foton Bob masuk ke keadaan tertentu. Sebelum itu, dia terjerat dengan foton Alice, berada dalam keadaan tak terbatas.

Alice memberi tahu Bob melalui telepon berapa ukuran tubuhnya. Jika hasilnya, katakanlah, ternyata -, maka Bob tahu bahwa foton-nya secara otomatis berubah menjadi keadaan ini. Jika Alice melaporkan bahwa pengukurannya memberikan hasil +, maka foton Bob mengambil polarisasi -α. Di akhir percobaan teleportasi, Bob memiliki salinan foton asli Alice, dan foton serta informasi tentangnya dihancurkan dalam proses tersebut.

teknologi teleportasi

Sekarang kita dapat menteleportasikan polarisasi foton dan beberapa keadaan atom. Tetapi ketika mereka menulis, kata mereka, para ilmuwan telah belajar bagaimana menteleportasi atom - ini adalah penipuan, karena atom memiliki banyak keadaan kuantum, himpunan tak terbatas. Paling-paling, kami menemukan cara untuk memindahkan beberapa dari mereka.

Pertanyaan favorit saya adalah kapan teleportasi manusia akan terjadi? Jawabannya tidak pernah. Katakanlah kita memiliki Kapten Picard dari seri Star Trek yang perlu diteleportasi ke permukaan planet dari sebuah kapal. Untuk melakukan ini, seperti yang sudah kita ketahui, kita perlu membuat beberapa Picard yang sama lagi, membawanya ke keadaan bingung yang mencakup semua kemungkinan keadaannya (sadar, mabuk, tidur, merokok - benar-benar semuanya) dan melakukan pengukuran pada keduanya. Jelas betapa sulit dan tidak realistisnya hal ini.

Teleportasi kuantum adalah fenomena yang menarik tetapi laboratorium. Hal-hal tidak akan datang ke teleportasi makhluk hidup (setidaknya dalam waktu dekat). Namun, ini dapat digunakan dalam praktik untuk membuat repeater kuantum untuk mentransmisikan informasi jarak jauh.