Nunca antes o Runet experimentou tanta sede de conhecimento em mecânica quântica como após a publicação no jornal Kommersant de um artigo mencionando planos para introduzir “teletransporte” na Rússia. O programa da Agência de Iniciativas Estratégicas (ASI) para o desenvolvimento tecnológico da Rússia, no entanto, não se limita ao “teletransporte”, porém, foi esse termo que chamou a atenção das redes sociais e da mídia e se tornou motivo de muitos piadas.

Em seguida, as partículas emaranhadas são separadas na distância necessária - para que os fótons A e B permaneçam em um lugar e C no outro. Um cabo de fibra óptica é passado entre os dois pontos. Observe que a distância máxima em que o teletransporte quântico foi realizado já é superior a 100 km.

A tarefa é transferir o estado quântico de uma partícula A não emaranhada para a partícula C. Para fazer isso, os cientistas medem a propriedade quântica dos fótons A e B. Os resultados das medições são então transformados em um código binário que informa sobre as diferenças entre partículas A e B.

Esse código é então transmitido pelo canal de comunicação tradicional, uma fibra óptica, e o destinatário da mensagem na outra ponta do cabo, que possui a partícula C, usa essa informação como uma instrução ou chave para manipular a partícula C - em essência, restaurando a partícula C ao estado que tinha a partícula C. partícula A. Como resultado, a partícula C copia o estado quântico da partícula A - a informação é teletransportada.

Para que tudo isso?

Em primeiro lugar, o teletransporte quântico está planejado para ser usado em tecnologias de comunicação quântica e criptografia quântica - a segurança desse tipo de comunicação parece atraente tanto para os negócios quanto para o estado, e o uso do teletransporte quântico permite evitar a perda de informações quando os fótons mover ao longo de uma fibra óptica.

Por exemplo, recentemente ficou conhecido sobre a transferência bem-sucedida de informações quânticas entre dois escritórios do Gazprombank em Moscou por meio de uma fibra óptica de 30,6 quilômetros. O projeto, no qual o Centro Quântico Russo (RKC) trabalhou, e no qual o Gazprombank e o Ministério da Educação e Ciência da Federação Russa investiram 450 milhões de rublos, na verdade acabou sendo a primeira linha de comunicação quântica “cidade” na Rússia.

Outra direção ˜ são os computadores quânticos, onde partículas emaranhadas podem ser usadas como qubits - unidades de informação quântica.

Outra ideia é a "internet quântica": toda uma rede de comunicações baseada exclusivamente na comunicação quântica. Para implementar esse conceito, no entanto, os pesquisadores precisam “aprender a transferir estados quânticos entre objetos de natureza física diferente – fótons, átomos, pontos quânticos, circuitos supercondutores e assim por diante”, disse Alexander Lvovsky, funcionário do RCC e professor da Universidade de Calgary, em conversa com a publicação N+1.

Observe que no momento os cientistas estão se teletransportando nos estados fundamentais de fótons e átomos; objetos maiores ainda não foram teletransportados.

Teletransporte quântico como "o mesmo" teletransporte

Aparentemente, hipoteticamente, o teletransporte quântico ainda pode ser usado para criar cópias de objetos grandes, incluindo humanos - afinal, o corpo também é composto por átomos, cujos estados quânticos podem ser teletransportados. No entanto, no atual estágio de desenvolvimento tecnológico, isso é considerado impossível e é atribuído ao reino da fantasia.

“Somos compostos de oxigênio, hidrogênio e carbono, com um pouco de outros elementos químicos. Se coletarmos o número necessário de átomos dos elementos necessários e, usando o teletransporte, os levarmos a um estado idêntico ao seu estado no corpo da pessoa teletransportada, obteremos a mesma pessoa. Será fisicamente indistinguível do original, exceto por sua posição no espaço (afinal, partículas quânticas idênticas são indistinguíveis). Claro, estou exagerando ao máximo - toda uma eternidade nos separa do teletransporte humano. No entanto, a essência da questão é precisamente esta: partículas quânticas idênticas são encontradas em todos os lugares, mas não é nada fácil trazê-las para o estado quântico desejado ”, disse Alexander Lvovsky em entrevista ao N + 1.

A uma distância de cerca de 1200 quilômetros - entre a terra e o espaço! Os pesquisadores também planejam realizar experimentos semelhantes em teletransporte quântico entre a Terra e a Lua.

Teletransporte... Uma palavra de livros de ficção científica, de histórias sobre aventuras espaciais, onde heróis superam distâncias gigantescas em segundos usando um teletransportador. O teletransporte quântico não tem nada a ver com o movimento real dos objetos. Nesse caso, o que é e por que é chamado assim? Sobre o teletransporte quântico AiF.ru disse o chefe do laboratório de física do Museu Politécnico Yuri Mikhailovsky:

“Você precisa entender que, com o teletransporte quântico, não há movimento de um objeto de um lugar para outro no espaço, como no teletransporte no sentido usual da palavra. Com a ajuda do teletransporte quântico, não é o próprio objeto que se teletransporta, ou seja, ele se move instantaneamente, mas o estado desse objeto! Grosso modo, temos um determinado objeto que possui um determinado estado e, com a ajuda do teletransporte quântico, podemos transferir esse estado para outro local para que apareça um objeto com as mesmas propriedades. (Na China, o estado das partículas entre dois pontos da Terra será transmitido usando um satélite espacial, que será colocado em órbita por causa deste experimento - ed.) Mas sobre o objeto - condicionalmente. Deixe-me explicar: agora não sabemos como transferir o estado de objetos complexos. Trata-se de transmitir o estado de átomos ou fótons individuais, nada mais.

Para implementar o teletransporte quântico, você precisa criar um par emaranhado quântico. Para simplificar, falaremos sobre um estado, o estado do spin da partícula. Pode estar em dois estados: girar para cima e girar para baixo. Tentaremos transmitir esses estados. Então, estamos tentando criar o chamado par emaranhado quântico (geralmente um par de fótons de luz). Ele é organizado de tal forma que sua rotação total é zero. Ou seja, um fóton tem spin para cima, o outro tem spin para baixo, quando criamos esse par, a soma deles é zero. Ao mesmo tempo, não apenas não sabemos para onde os fótons estão olhando, mas os próprios fótons não sabem em que direção seus spins estão direcionados. Estão no chamado estado misto, indefinido. Talvez gire para cima, talvez para baixo, ninguém sabe até que o ato de medição seja feito.

Mas temos a garantia de que, se medirmos um giro e ele olhar para cima, o giro do outro fóton será para baixo. Agora vamos pegar dois fótons emaranhados e espalhá-los por uma longa distância, um quilômetro, por exemplo. E aqui pegamos um dos fótons e medimos seu estado. Determinamos que ele tem um spin para cima e, neste momento, a uma distância de um quilômetro, o spin de outro fóton misturado passa para um estado com spin para baixo. Pelo ato de medir um fóton, mudamos o estado de outro fóton.

Normalmente, esses dois fótons emaranhados são chamados de Ansila e Bob.

Este efeito de emaranhamento quântico é usado para teletransporte. Temos um giro que gostaríamos de teletransportar, geralmente é chamado de Alice. Assim, o spin total de Alice e Ansila é medido, e neste momento Bob recebe o estado de Alice, ou conjugado a ele (oposto). Sobre qual, aprendemos com o resultado da medição. Depois disso, precisamos transferir essas informações através do canal de comunicação usual. Bob deve ser entregue ou não.

Se, por exemplo, transmitirmos os estados de 10 giros, para concluir o teletransporte, é necessário enviar uma mensagem como: “Mude para estados opostos 1, 3, 5, 6 e 8”.

É assim que funciona o teletransporte quântico.

Um estudo chave que prova a possibilidade fundamental do teletransporte quântico de fótons.

Isso é necessário para a comprovação física fundamental da possibilidade fundamental de tradução à distância de informações genéticas e metabólicas usando fótons polarizados (spinning). Evidência aplicável à tradução in vitro (usando um laser) e in vivo, ou seja, no próprio biossistema entre as células.

Teletransporte quântico experimental

O teletransporte quântico foi demonstrado experimentalmente - a transferência e restauração do estado de um sistema quântico a qualquer distância arbitrária. No processo de teletransporte, o fóton primário é polarizado e essa polarização é um estado transmitido remotamente. Neste caso, um par de fótons emaranhados é um objeto de medição, no qual o segundo fóton do par emaranhado pode estar arbitrariamente distante do inicial. O teletransporte quântico será um elemento chave nas redes de computação quântica.

O sonho do teletransporte é o sonho de poder viajar simplesmente aparecendo a alguma distância. O objeto de teletransporte pode ser totalmente caracterizado por suas propriedades pela física clássica através de medições. Para fazer uma cópia deste objeto a alguma distância, não há necessidade de transferir suas partes ou fragmentos para lá. Tudo o que é necessário para tal transferência é a informação completa sobre ela retirada do objeto, que pode ser usada para recriar o objeto. Mas quão precisas essas informações precisam ser para gerar uma cópia exata do original? E se essas partes e fragmentos fossem representados por elétrons, átomos e moléculas? O que acontecerá com suas propriedades quânticas individuais, que, de acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, não podem ser medidas com precisão arbitrária?
Bennett et al. provaram que é possível transferir o estado quântico de uma partícula para outra, ou seja, o processo de teletransporte quântico, que não garante a transmissão de nenhuma informação sobre esse estado no processo de transmissão. Essa dificuldade pode ser eliminada usando o princípio do emaranhamento como uma propriedade especial da mecânica quântica. Ele mapeia as correlações entre sistemas quânticos muito mais estritamente do que qualquer correlação clássica pode fazer. A capacidade de transferir informações quânticas é uma das estruturas básicas da comunicação quântica de ondas e da computação quântica. Embora haja rápido progresso na descrição do processamento de informações quânticas, as dificuldades no controle de sistemas quânticos não permitem o progresso adequado na implementação experimental de novas propostas. Embora não prometa avanços rápidos na criptografia quântica (considerações primárias para a transferência de dados secretos), anteriormente apenas provamos com sucesso a possibilidade de codificação quântica densa como uma forma de melhorar a compressão de dados mecanicamente quântica. A principal razão para esse lento progresso experimental é que, embora existam métodos para gerar pares de fótons emaranhados, estados emaranhados para átomos estão apenas começando a ser estudados e não são mais possíveis do que estados emaranhados para dois quanta.
Aqui publicamos a primeira verificação experimental de teletransporte quântico. Ao criar pares de fótons emaranhados usando um processo de conversão paramétrica, e também usando interferometria de dois fótons para analisar o processo de emaranhamento, podemos transferir as propriedades quânticas (no nosso caso, o estado de polarização) de um fóton para outro. Os métodos desenvolvidos neste experimento serão de grande importância tanto para pesquisas no campo da comunicação quântica quanto para futuros experimentos sobre os fundamentos da mecânica quântica.

Em junho de 2013, um grupo de físicos liderados por Eugene Polzik conseguiu realizar um experimento sobre o teletransporte determinístico do spin coletivo de 10 12 átomos de césio por meio metro. Este trabalho está na capa. física da natureza. Por que este é um resultado realmente importante, quais foram as dificuldades experimentais e, finalmente, o que é "teletransporte quântico determinístico" "Lente.ru" foi dito pelo professor e membro do comitê executivo do Centro Quântico Russo (RKC) Eugene Polzik.

"Lenta.ru": O que é "teletransporte quântico"?

Para entender como o teletransporte quântico difere do que vemos, por exemplo, na série Star Trek, você precisa entender uma coisa simples. Nosso mundo está organizado de tal maneira que, se quisermos saber algo sobre qualquer coisa, sempre cometeremos erros nos mínimos detalhes. Se, por exemplo, pegarmos um átomo comum, não será possível medir simultaneamente a velocidade do movimento e a posição dos elétrons nele (é o chamado princípio da incerteza de Heisenberg). Ou seja, você não pode representar o resultado como uma sequência de zeros e uns.

Na mecânica quântica, no entanto, é apropriado fazer esta pergunta: mesmo que o resultado não possa ser escrito, talvez ainda possa ser enviado? Esse processo de envio de informações além da precisão das medições clássicas é chamado de teletransporte quântico.

Quando o teletransporte quântico apareceu pela primeira vez?

Eugene Polzik, Professor do Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague (Dinamarca), Membro do Comitê Executivo do Centro Quântico Russo

Em 1993, seis físicos - Bennett, Brossard e outros - escreveram em Cartas de Revisão Física artigo (pdf), no qual eles criaram uma terminologia maravilhosa para teletransporte quântico. Notável também porque esta terminologia teve um efeito extremamente positivo sobre o público desde então. Em seu trabalho, o protocolo de transferência de informações quânticas foi descrito puramente teoricamente.

Em 1997, foi realizado o primeiro teletransporte quântico de fótons (na verdade, houve dois experimentos - os grupos Zaillinger e De Martini; Zaillinger é simplesmente mais citado). Em seu trabalho, eles teletransportaram a polarização dos fótons - a direção dessa polarização é uma quantidade quântica, ou seja, uma quantidade que assume valores diferentes com probabilidades diferentes. Como se viu, esse valor não pode ser medido, mas pode ser teletransportado.

Aqui está algo a considerar: nos experimentos de Zaillinger e De Martini, o teletransporte era probabilístico, ou seja, funcionava com certa probabilidade de sucesso. Eles conseguiram alcançar uma probabilidade de pelo menos 67 (2/3) por cento - o que em russo é apropriado chamar de limite clássico.

O teletransporte em questão é chamado de probabilístico. Em 1998, nós da Caltech fizemos algo chamado teletransporte determinístico. Teletransportamos a fase e a amplitude do pulso de luz. Elas, como dizem os físicos, como a velocidade e a localização do elétron, são "variáveis ​​não comutantes" e, portanto, obedecem ao já mencionado princípio de Heisenberg. Ou seja, não permitem a medição simultânea.

Um átomo pode ser pensado como um pequeno ímã. A direção deste ímã é a direção da rotação. Você pode controlar a orientação de tal “ímã” usando um campo magnético e luz. Os fótons - partículas de luz - também têm um spin, também chamado de polarização.

Qual é a diferença entre teletransporte probabilístico e determinístico?

Para explicá-lo, primeiro precisamos falar um pouco mais sobre teletransporte. Imagine que nos pontos A e B existem átomos, por conveniência - um de cada vez. Queremos teletransportar, digamos, o spin de um átomo de A para B, ou seja, trazer o átomo no ponto B para o mesmo estado quântico do átomo A. Como eu disse, um canal de comunicação clássico não é suficiente para isso, então são necessários dois canais - um clássico, outro quântico. Como portadores de informação quântica temos os quanta de luz.

Primeiro, passamos a luz através do átomo B. Ocorre um processo de emaranhamento, como resultado do qual uma conexão é estabelecida entre a luz e o spin do átomo. Quando a luz chega a A, podemos supor que um canal de comunicação quântica foi estabelecido entre os dois pontos. A luz, passando por A, lê as informações do átomo e depois disso a luz é captada por detectores. É este momento que pode ser considerado o momento de transferência de informação através do canal quântico.

Agora resta transferir o resultado da medição através do canal clássico para B, para que, com base nesses dados, algumas transformações sejam realizadas no spin do átomo (por exemplo, o campo magnético é alterado). Como resultado, no ponto B, o átomo recebe o estado de spin do átomo A. O teletransporte é concluído.

Na realidade, porém, os fótons que viajam por um canal quântico são perdidos (por exemplo, se esse canal for uma fibra óptica comum). A principal diferença entre teletransporte probabilístico e determinístico está justamente na atitude em relação a essas perdas. O probabilístico não se importa com quantos são perdidos lá - se pelo menos um em um milhão de fótons atingiu, então é bom. Nesse sentido, é claro, é mais adequado para enviar fótons a longas distâncias ( atualmente o recorde é de 143 quilômetros - aprox. "Tapes.ru"). O teletransporte determinístico, por outro lado, tem uma atitude pior em relação às perdas - de modo geral, quanto maiores as perdas, pior a qualidade do teletransporte, ou seja, na extremidade receptora do fio, obtém-se um estado quântico não muito original - mas funciona sempre, para ser franco, você pressiona o botão.

O estado emaranhado da luz e dos átomos é essencialmente um estado emaranhado de seus spins. Se os spins de, digamos, um átomo e um fóton estiverem emaranhados, as medições de seus parâmetros, como dizem os físicos, estarão correlacionadas. Isso significa que, por exemplo, se a medição do spin de um fóton mostrou que ele é direcionado para cima, então o spin do átomo será direcionado para baixo; se o spin do fóton for direcionado para a direita, o spin do átomo será direcionado para a esquerda e assim por diante. O truque é que, antes da medição, nem o fóton nem o átomo têm uma direção definida de rotação. Como é que, apesar disso, eles estão correlacionados? É aqui que a “cabeça giratória da mecânica quântica” deve começar, como disse Niels Bohr.

Eugene Polzik

E como eles diferem em escopo?

Probabilístico, como eu disse, é adequado para transmissão de dados a longas distâncias. Digamos que, se no futuro quisermos construir uma Internet quântica, precisamos exatamente desse tipo de teletransporte. Quanto ao determinístico, pode ser útil para teletransportar alguns processos.

Aqui devemos esclarecer imediatamente: agora não há um limite tão claro entre esses dois tipos de teletransporte. Por exemplo, no Centro Quântico Russo (e não apenas nele), estão sendo desenvolvidos sistemas “híbridos” de comunicações quânticas, onde são usadas abordagens parcialmente probabilísticas e parcialmente determinísticas.

Em nosso trabalho, o teletransporte do processo era, você sabe, estroboscópico - ainda não estamos falando de teletransporte contínuo.

Então é um processo discreto?

Sim. Na verdade, o teletransporte estatal, é claro, só pode acontecer uma vez. Uma das coisas que a mecânica quântica proíbe é a clonagem de estados. Ou seja, se você teletransportou algo, então você o destruiu.

Conte-nos sobre o que seu grupo realizou.

Tínhamos um conjunto de átomos de césio e teletransportamos a rotação coletiva do sistema. Nosso gás estava sob a influência de um laser e um campo magnético, então os spins dos átomos estavam orientados aproximadamente da mesma forma. Um leitor despreparado pode imaginar assim - nossa equipe é uma grande agulha magnética.

A seta tem uma indeterminação de direção (isso significa que os spins são orientados "aproximadamente" a mesma), a mesma de Heisenberg. É impossível medir com precisão a direção dessa incerteza, mas teletransportar a posição é bem possível. A magnitude dessa incerteza é uma por raiz quadrada do número de átomos.

Aqui é importante fazer uma digressão. Meu sistema favorito é um gás de átomos à temperatura ambiente. O problema com este sistema é este: à temperatura ambiente, os estados quânticos rapidamente se desfazem. No nosso caso, no entanto, esses estados de spin vivem por muito tempo. E isso foi alcançado graças à cooperação com cientistas de São Petersburgo.

Eles desenvolveram revestimentos que são cientificamente chamados de revestimentos de alceno. Na verdade, é algo muito parecido com a parafina. Se você pulverizar esse revestimento no interior de uma célula de vidro com gás, as moléculas de gás voam (a uma velocidade de 200 metros por segundo) e colidem com as paredes, mas nada acontece com sua rotação. Eles podem suportar cerca de um milhão de colisões. Eu tenho uma representação visual desse processo: a cobertura é como uma floresta inteira de trepadeiras, muito grande, e para estragar suas costas, você precisa transferir seu giro para alguém. E lá é tudo tão grande e conectado que não há ninguém para passar, então ele entra lá, tropeça e voa de volta, e nada acontece com ele. Começamos a trabalhar com esses revestimentos há 10 anos. Agora eles foram aprimorados e provaram que é possível trabalhar com eles no campo quântico.

Então, de volta aos nossos átomos de césio. Eles estavam em temperatura ambiente (isso também é bom porque os revestimentos de alceno não suportam altas temperaturas e, para obter gás, algo geralmente precisa ser evaporado, ou seja, aquecido).

Você teletransportou o spin por meio metro. Uma distância tão pequena é uma limitação fundamental?

Claro que não. Como eu disse, o teletransporte determinístico não sofre perdas, então nossos pulsos de laser passavam pelo espaço aberto - se os encaminhássemos de volta para a fibra, invariavelmente haveria algum tipo de perda. De um modo geral, se você estiver envolvido no futurismo lá, é bem possível atirar em um satélite com o mesmo feixe, que encaminhará o sinal para o lugar certo.

Você disse que tem planos de teletransporte contínuo?

Sim. Só aqui a continuidade deve ser entendida em vários sentidos. Por um lado, temos 10 12 átomos no trabalho, então a discrição da direção do spin coletivo é tão pequena que é possível descrever o spin por variáveis ​​contínuas. Nesse sentido, nosso teletransporte foi contínuo.

Por outro lado, se o processo muda no tempo, podemos falar sobre sua continuidade no tempo. Então eu posso fazer o seguinte. Este processo tem, digamos, algum tipo de constante de tempo - digamos que acontece em milissegundos, então eu peguei e quebrei em microssegundos, e o “boom” se teletransportou após o primeiro microssegundo; então você tem que retornar ao estado inicial.

Cada um desses teletransportes, é claro, destrói o estado de teletransporte, no entanto, a excitação externa que esse processo causa não toca. Portanto, em essência, estamos teletransportando uma certa integral. Podemos "expandir" essa integral e aprender algo sobre excitações externas. Um artigo teórico em que tudo isso é proposto acaba de aparecer em Cartas de Revisão Física.

Na verdade, esse teletransporte para frente e para trás pode ser usado para coisas muito profundas. Eu tenho algo acontecendo aqui, e algo está acontecendo aqui, e com a ajuda de um canal de teletransporte eu posso simular uma interação - como se esses dois spins, que nunca interagiram um com o outro, realmente interagissem. Essa é uma simulação quântica.

E a simulação quântica é o que todo mundo está pulando agora. Em vez de fatorar em milhões de dígitos, você pode apenas simular. Lembre-se da mesma onda D.

O teletransporte determinístico pode ser usado em computadores quânticos?

Talvez, mas então será necessário teletransportar os qubits. Aqui já serão necessários todos os tipos de algoritmos de correção de erros. E eles estão apenas começando a ser desenvolvidos.

Professor da Faculdade de Física da Universidade de Calgary (Canadá), membro do Instituto Canadense de Estudos Superiores Alexander Lvovsky tentou explicar em termos simples os princípios do teletransporte quântico e da criptografia quântica.

Chave do castelo

A criptografia é a arte de comunicar de forma segura através de um canal inseguro. Ou seja, você tem uma determinada linha que pode ser ouvida e precisa transmitir uma mensagem secreta por ela que ninguém mais pode ler.

Imagine que, digamos, se Alice e Bob têm uma chave secreta, ou seja, uma sequência secreta de zeros e uns que ninguém mais tem, eles podem criptografar uma mensagem usando essa chave, aplicando a operação OR exclusiva para que zero corresponda com zero e um com um. Essa mensagem criptografada já pode ser transmitida por um canal aberto. Se alguém a interceptar, tudo bem, porque ninguém pode lê-la, exceto Bob, que tem uma cópia da chave secreta.

Em qualquer criptografia, em qualquer comunicação, o recurso mais caro é uma sequência aleatória de zeros e uns, que é propriedade de apenas dois comunicantes. Mas na maioria dos casos, a criptografia de chave pública é usada. Digamos que você compre algo com cartão de crédito em uma loja online usando um protocolo HTTPS seguro. Segundo ele, seu computador está conversando com algum servidor com o qual nunca se comunicou antes e não teve a oportunidade de trocar uma chave secreta com esse servidor.

O mistério desse diálogo é proporcionado pela resolução de um problema matemático complexo, em particular, a decomposição em fatores primos. É fácil multiplicar dois números primos, mas se a tarefa já está dada para encontrar seu produto, para encontrar dois fatores, então é difícil. Se o número for grande o suficiente, serão necessários muitos anos de cálculos de um computador convencional.

No entanto, se este computador não for comum, mas quântico, ele resolverá esse problema facilmente. Quando for finalmente inventado, o método amplamente utilizado acima se tornará inútil, o que se espera que seja desastroso para a sociedade.

Se você se lembra, no primeiro livro de Harry Potter, o protagonista tinha que passar pela segurança para chegar à Pedra Filosofal. Há algo semelhante aqui: para quem estabeleceu proteção, será fácil passá-la. Foi muito difícil para Harry, mas no final ele ainda superou.

Este exemplo ilustra muito bem a criptografia de chave pública. Qualquer pessoa que não o conheça é, em princípio, capaz de decifrar as mensagens, mas será muito difícil para ele, e isso levará potencialmente muitos anos. A criptografia de chave pública não oferece segurança absoluta.

criptografia quântica

Tudo isso explica a necessidade da criptografia quântica. Ela nos dá o melhor dos dois mundos. Existe um método one-time pad, confiável, mas, por outro lado, exigindo uma chave secreta "cara". Para que Alice possa se comunicar com Bob, ela deve enviar a ele um mensageiro com uma mala cheia de discos contendo essas chaves. Ele irá consumi-los gradualmente, já que cada um deles só pode ser usado uma vez. Por outro lado, temos o método de chave pública, que é "barato", mas não oferece segurança absoluta.

A criptografia quântica, por um lado, é “barata”, permite a transmissão segura de uma chave por um canal que pode ser invadido e, por outro, garante o sigilo devido às leis fundamentais da física. Seu significado é codificar informações no estado quântico de fótons individuais.

De acordo com os postulados da física quântica, o estado quântico no momento em que se tenta medir é destruído e alterado. Assim, se houver algum espião na linha entre Alice e Bob tentando bisbilhotar ou bisbilhotar, ele inevitavelmente mudará o estado dos fótons, os comunicantes perceberão que a linha está sendo grampeada, interromperão a comunicação e agirão.

Ao contrário de muitas outras tecnologias quânticas, a criptografia quântica é comercial, não ficção científica. Já existem empresas que produzem servidores conectados a uma linha convencional de fibra óptica, por meio da qual você pode se comunicar com segurança.

Como funciona um divisor de feixe polarizador

A luz é uma onda eletromagnética transversal, oscilando não ao longo, mas transversalmente. Essa propriedade é chamada de polarização e está presente mesmo em fótons individuais. Eles podem ser usados ​​para codificar informações. Por exemplo, um fóton horizontal é zero e um fóton vertical é um (o mesmo vale para fótons com polarizações de mais 45 graus e menos 45 graus).

Alice codificou as informações dessa maneira e Bob precisa aceitá-las. Para isso, é usado um dispositivo especial - um divisor de feixe polarizador, um cubo composto por dois prismas colados. Ele transmite um fluxo polarizado horizontalmente e reflete um fluxo polarizado verticalmente, devido ao qual a informação é decodificada. Se o fóton horizontal for zero e o fóton vertical for um, então um detector clicará no caso de um zero lógico e o outro no caso de um.

Mas o que acontece se enviarmos um fóton diagonal? Então o famoso acidente quântico começa a desempenhar um papel. É impossível dizer se tal fóton passará ou será refletido - ele fará um ou outro com uma probabilidade de 50%. Prever seu comportamento é impossível em princípio. Além disso, esta propriedade está subjacente aos geradores de números aleatórios comerciais.

O que fazer se tivermos a tarefa de distinguir polarizações de mais 45 graus e menos 45 graus? É necessário girar o divisor de feixe em torno do eixo do feixe. Então a lei da aleatoriedade quântica operará para fótons com polarizações horizontais e verticais. Esta propriedade é fundamental. Não podemos perguntar que polarização esse fóton tem.

Princípio da criptografia quântica

Qual é a ideia por trás da criptografia quântica? Suponha que Alice envie um fóton para Bob, que ela codifica horizontalmente, verticalmente ou diagonalmente. Bob também joga uma moeda, decidindo aleatoriamente se sua base será horizontal-vertical ou diagonal. Se seus métodos de codificação corresponderem, Bob receberá os dados enviados por Alice, se não, então alguma bobagem. Eles realizam essa operação milhares de vezes e depois “chamam” por um canal aberto e dizem uns aos outros em quais bases fizeram a transferência - podemos supor que essa informação agora está disponível para qualquer pessoa. Em seguida, Bob e Alice serão capazes de eliminar eventos em que as bases eram diferentes e deixar aqueles em que eram as mesmas (haverá cerca de metade deles).

Suponha que algum espião tenha entrado na linha querendo espionar as mensagens, mas ele também precisa medir as informações de alguma forma. Imagine que Alice e Bob tenham o mesmo, mas o espião não. Em uma situação em que os dados foram enviados em uma base horizontal-vertical, e o bisbilhoteiro mediu a transmissão em diagonal, ele receberá um valor aleatório e encaminhará algum fóton arbitrário para Bob, pois ele não sabe qual deveria ser. Assim, sua interferência será notada.

O maior problema na criptografia quântica é a perda. Mesmo a melhor e mais moderna fibra oferece 50% de perda para cada 10-12 quilômetros de cabo. Digamos que enviamos nossa chave secreta de Moscou a São Petersburgo - por 750 quilômetros, e apenas um em um bilhão de bilhões de fótons atingirá a meta. Tudo isso torna a tecnologia completamente impraticável. É por isso que a criptografia quântica moderna só funciona a uma distância de cerca de 100 quilômetros. Teoricamente, sabe-se como resolver esse problema - com a ajuda de repetidores quânticos, mas sua implementação requer teletransporte quântico.

entrelaçamento quântico

A definição científica de emaranhamento quântico é um estado deslocalizado de superposição. Parece complicado, mas um exemplo simples pode ser dado. Suponha que temos dois fótons: horizontal e vertical, cujos estados quânticos são interdependentes. Enviamos um deles para Alice e o outro para Bob, que faz medições em um divisor de feixe polarizador.

Quando essas medidas são feitas na base horizontal-vertical usual, fica claro que o resultado será correlacionado. Se Alice notou um fóton horizontal, o segundo, é claro, será vertical e vice-versa. Isso pode ser imaginado de uma forma mais simples: temos uma bola azul e uma vermelha, selamos cada uma delas em um envelope sem olhar e enviamos para dois destinatários - se um receber vermelho, o segundo com certeza receberá azul.

Mas no caso do emaranhamento quântico, a questão não se limita a isso. Essa correlação ocorre não apenas na base horizontal-vertical, mas também em qualquer outra. Por exemplo, se Alice e Bob girarem seus divisores de feixe 45 graus ao mesmo tempo, eles terão novamente uma combinação perfeita.

Este é um fenômeno quântico muito estranho. Digamos que Alice de alguma forma virou seu divisor de feixe e encontrou algum fóton com polarização α que passou por ele. Se Bob medir seu fóton na mesma base, ele encontrará uma polarização de 90 graus +α.

Assim, no início temos um estado de emaranhamento: o fóton de Alice é completamente indefinido e o fóton de Bob é completamente indefinido. Quando Alice mediu seu fóton, encontrou algum valor, agora sabemos exatamente qual fóton Bob tem, não importa o quão longe ele esteja. Este efeito foi repetidamente confirmado por experimentos, isso não é uma fantasia.

Suponha que Alice tenha um certo fóton com polarização α, que ela ainda não conhece, ou seja, em um estado desconhecido. Não há canal direto entre ela e Bob. Se houvesse um canal, Alice seria capaz de registrar o estado do fóton e transmitir essa informação a Bob. Mas é impossível conhecer o estado quântico em uma medição, portanto, esse método não é adequado. No entanto, entre Alice e Bob há um par de fótons emaranhados pré-preparados. Devido a isso, é possível forçar o fóton de Bob a assumir o estado inicial do fóton de Alice, "telefonado" posteriormente em uma linha telefônica condicional.

Aqui está um clássico (embora um análogo muito distante) de tudo isso. Alice e Bob recebem um balão vermelho ou azul em um envelope. Alice quer enviar a Bob informações sobre o que ela tem. Para isso, ela precisa, depois de “telefonar” para Bob, comparar as bolas, dizendo-lhe “tenho a mesma” ou “temos diferentes”. Se alguém bisbilhotar nesta linha, isso não o ajudará a reconhecer sua cor.

Assim, há quatro opções para o desfecho dos eventos (condicionalmente, os destinatários têm balões azuis, balões vermelhos, vermelhos e azuis, ou azuis e vermelhos). São interessantes porque formam uma base. Se tivermos dois fótons com polarização desconhecida, podemos “fazer uma pergunta” em qual desses estados eles estão e obter uma resposta. Mas se pelo menos um deles estiver emaranhado com algum outro fóton, ocorrerá o efeito da preparação remota e o terceiro fóton remoto “se preparará” em um determinado estado. É nisso que se baseia o teletransporte quântico.

Como tudo isso funciona? Temos um estado emaranhado e um fóton que queremos teletransportar. Alice deve fazer uma medição apropriada do fóton teletransportado original e perguntar em que estado o outro está. Aleatoriamente, ela recebe uma das quatro respostas possíveis. Como resultado do efeito de cozimento remoto, após essa medição, dependendo do resultado, o fóton de Bob entrou em um determinado estado. Antes disso, ele estava emaranhado com o fóton de Alice, ficando em estado indefinido.

Alice diz a Bob por telefone qual foi sua medida. Se o resultado, digamos, for ψ-, então Bob sabe que seu fóton se transformou automaticamente nesse estado. Se Alice relatou que sua medida deu o resultado ψ+, então o fóton de Bob assumiu a polarização -α. No final do experimento de teletransporte, Bob tem uma cópia do fóton original de Alice, e seu fóton e informações sobre ele são destruídos no processo.

tecnologia de teletransporte

Agora somos capazes de teletransportar a polarização dos fótons e alguns estados dos átomos. Mas quando escrevem, dizem eles, os cientistas aprenderam a teletransportar átomos - isso é um engano, porque os átomos têm muitos estados quânticos, um conjunto infinito. Na melhor das hipóteses, descobrimos como teletransportar alguns deles.

Minha pergunta favorita é quando o teletransporte humano acontecerá? A resposta é nunca. Digamos que temos o Capitão Picard da série Star Trek que precisa ser teletransportado para a superfície do planeta de uma nave. Para fazer isso, como já sabemos, precisamos fazer mais alguns dos mesmos Picards, colocá-los em um estado confuso que inclua todos os seus estados possíveis (sóbrio, bêbado, dormindo, fumando - absolutamente tudo) e fazer medições em Ambas. É claro o quão difícil e irrealista isso é.

O teletransporte quântico é um fenômeno interessante, mas de laboratório. As coisas não chegarão ao teletransporte de seres vivos (pelo menos em um futuro próximo). No entanto, ele pode ser usado na prática para criar repetidores quânticos para transmissão de informações a longas distâncias.