Niciodată până acum Runet nu a mai experimentat o asemenea sete de cunoștințe în mecanica cuantică ca după publicarea în ziarul Kommersant a unui articol care menționa planurile de a introduce „teleportarea” în Rusia. Programul Agenției pentru Inițiative Strategice (ASI) pentru dezvoltarea tehnologică a Rusiei, cu toate acestea, nu se limitează la „teleportare”, totuși, acest termen a atras atenția rețelelor sociale și a mass-media și a devenit motivul pentru multe glume.

Apoi particulele încurcate sunt separate la distanța necesară - astfel încât fotonii A și B să rămână într-un loc, iar C în celălalt. Un cablu de fibră optică este trecut între cele două puncte. Rețineți că distanța maximă la care a fost efectuată teleportarea cuantică este deja mai mare de 100 km.

Sarcina este de a transfera starea cuantică a unei particule A neîncurcată la particula C. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință măsoară proprietatea cuantică a fotonilor A și B. Rezultatele măsurătorilor sunt apoi convertite într-un cod binar care spune despre diferențele dintre particulele A și B.

Acest cod este apoi transmis prin canalul de comunicație tradițional, o fibră optică, iar destinatarul mesajului de la celălalt capăt al cablului, care deține particula C, folosește această informație ca instrucțiune sau cheie pentru a manipula particula C - în în esență, restabilirea particulei C la starea pe care o avea particula C. Particula A. Ca rezultat, particula C copiază starea cuantică a particulei A - informația este teleportată.

Pentru ce sunt toate acestea?

În primul rând, teleportarea cuantică este planificată să fie utilizată în tehnologiile de comunicare cuantică și criptografie cuantică - securitatea acestui tip de comunicare pare atractivă atât pentru afaceri, cât și pentru stat, iar utilizarea teleportarii cuantice face posibilă evitarea pierderii de informații atunci când fotonii se deplasează de-a lungul unei fibre optice.

De exemplu, recent a devenit cunoscut despre transferul cu succes al informațiilor cuantice între două birouri Gazprombank din Moscova prin intermediul unei fibre optice de 30,6 kilometri. Proiectul, la care a lucrat Centrul Cuantic Rus (RKC) și în care Gazprombank și Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse au investit 450 de milioane de ruble, s-a dovedit de fapt a fi prima linie de comunicare cuantică „oraș” din Rusia.

O altă direcție ˜ este computerele cuantice, unde particulele încurcate pot fi folosite ca qubiți – unități de informații cuantice.

O altă idee este „internetul cuantic”: o întreagă rețea de comunicații bazată exclusiv pe comunicarea cuantică. Pentru a implementa acest concept, totuși, cercetătorii trebuie să „învețe cum să transfere stări cuantice între obiecte de natură fizică diferită - fotoni, atomi, puncte cuantice, circuite supraconductoare și așa mai departe”, a spus Alexander Lvovsky, angajat al RCC și un profesor la Universitatea din Calgary, într-o conversație cu publicația N + 1. .

Rețineți că în acest moment oamenii de știință se teleportează în stările fundamentale ale fotonilor și atomilor; obiectele mai mari nu au fost încă teleportate.

Teleportarea cuantică ca „aceeași” teleportare

Aparent, ipotetic, teleportarea cuantică poate fi încă folosită pentru a crea copii ale obiectelor mari, inclusiv ale oamenilor - la urma urmei, corpul este format și din atomi, ale căror stări cuantice pot fi teleportate. Cu toate acestea, în stadiul actual de dezvoltare tehnologică, acest lucru este considerat imposibil și este atribuit domeniului fanteziei.

„Suntem alcătuiți din oxigen, hidrogen și carbon, cu puține alte elemente chimice. Dacă colectăm numărul necesar de atomi ai elementelor necesare și apoi, folosind teleportarea, îi aducem într-o stare identică cu starea lor în corpul persoanei teleportate, vom obține aceeași persoană. Va fi imposibil de distins fizic de original, cu excepția poziției sale în spațiu (la urma urmei, particulele cuantice identice nu se pot distinge). Desigur, exagerez la maximum - o întreagă eternitate ne desparte de teleportarea umană. Cu toate acestea, esența problemei este tocmai aceasta: particule cuantice identice se găsesc peste tot, dar nu este deloc ușor să le aduceți la starea cuantică dorită ”, a spus Alexander Lvovsky într-un interviu pentru N + 1.

La o distanță de aproximativ 1200 de kilometri - între pământ și spațiu! De asemenea, cercetătorii intenționează să efectueze experimente similare privind teleportarea cuantică între Pământ și Lună.

Teleportare... Un cuvânt din cărți științifico-fantastice, din povești despre aventuri în spațiu, unde eroii depășesc distanțe gigantice în câteva secunde folosind un teleporter. Teleportarea cuantică nu are nimic de-a face cu mișcarea reală a obiectelor. În acest caz, ce este și de ce se numește așa? Despre teleportarea cuantică AiF.ru a spus șeful laboratorului de fizică al Muzeului Politehnic Iuri Mihailovski:

„Trebuie să înțelegi că în cazul teleportarii cuantice, un obiect nu se mișcă dintr-un loc în altul în spațiu, ca în cazul teleportarii în sensul obișnuit al cuvântului. Cu ajutorul teleportării cuantice, nu obiectul în sine se teleportează, adică se mișcă instantaneu, ci starea acestui obiect! În linii mari, avem un anumit obiect care are o anumită stare, iar cu ajutorul teleportării cuantice putem transfera această stare în alt loc, astfel încât acolo să apară un obiect cu aceleași proprietăți. (În China, starea particulelor dintre două puncte de pe Pământ va fi transmisă folosind un satelit spațial, care va fi pus pe orbită de dragul acestui experiment - n.red.) Dar despre obiect - condiționat. Permiteți-mi să vă explic: acum nu știm cum să transferăm starea obiectelor complexe. Este vorba despre transmiterea stării atomilor sau fotonilor individuali, nimic mai mult.

Pentru a implementa teleportarea cuantică, trebuie să creați o pereche încurcată cuantică. Pentru simplitate, vom vorbi despre o stare, starea spinului particulei. Poate fi în două stări: rotire în sus și rotire în jos. Vom încerca să transmitem aceste stări. Deci, încercăm să creăm o așa-numită pereche încâlcită cuantică (de obicei o pereche de fotoni de lumină). Este aranjat în așa fel încât spinul lor total să fie zero. Adică, un foton are o rotație în sus, celălalt are o rotație în jos, când creăm această pereche, suma lor este zero. În același timp, nu numai că nu știm unde caută fotonii, dar fotonii înșiși nu știu în ce direcție sunt îndreptate spinurile lor. Sunt în așa-numita stare mixtă, nedeterminată. Poate rotire în sus, poate în jos, nimeni nu știe până când actul de măsurare nu este încheiat.

Dar avem garanția că dacă măsurăm un spin și se uită în sus, atunci spinul celuilalt foton se uită în jos. Acum să luăm doi fotoni încâlciți și să-i răspândim pe o distanță lungă, un kilometru, de exemplu. Și aici luăm unul dintre fotoni și măsurăm starea lui. Determinăm că are o rotație în sus, iar în acest moment, la o distanță de un kilometru, spin-ul altui foton mixt se transformă într-o stare cu o rotație în jos. Prin măsurarea unui foton, am schimbat starea altui foton.

De obicei, acești doi fotoni încâlciți se numesc Ansila și Bob.

Acest efect de întanglement cuantic este folosit pentru teleportare. Avem o învârtire pe care am dori să o teleportăm, de obicei se numește Alice. Deci, spin-ul total al lui Alice și Ansila este măsurat, iar în acest moment Bob primește starea Alice, sau se conjugă cu aceasta (opus). Despre care dintre ele, aflăm din rezultatul măsurării. După aceea, trebuie să transferăm aceste informații prin canalul obișnuit de comunicare. Dacă Bob este întors sau nu.

Dacă transmitem, de exemplu, stările de 10 rotiri, atunci pentru a finaliza teleportarea, este necesar să trimitem un mesaj de forma: „Schimbați la stările opuse 1, 3, 5, 6 și 8”.

Așa funcționează teleportarea cuantică.

Un studiu cheie care demonstrează posibilitatea fundamentală a teleportării cuantice a fotonilor.

Acest lucru este necesar pentru fundamentarea fizică fundamentală a posibilității fundamentale de traducere la distanță a informațiilor genetice și metabolice folosind fotoni polarizați (în rotație). Dovezi aplicabile atât traducerii in vitro (folosind un laser) cât și in vivo, de ex. în biosistemul însuși între celule.

Teleportarea cuantică experimentală

Teleportarea cuantică a fost demonstrată experimental - transferul și restabilirea stării unui sistem cuantic la orice distanță arbitrară. În procesul de teleportare, fotonul primar este polarizat, iar această polarizare este o stare transmisă de la distanță. În acest caz, o pereche de fotoni încâlciți este un obiect de măsurare, în care al doilea foton al perechii încurcate poate fi arbitrar departe de cel inițial. Teleportarea cuantică va fi un element cheie în rețelele de calcul cuantic.

Visul teleportarii este visul de a putea călători prin simpla apariție la o anumită distanță. Obiectul teleportării poate fi pe deplin caracterizat prin proprietățile sale de fizica clasică prin măsurători. Pentru a face o copie a acestui obiect la o anumită distanță, nu este nevoie să transferați părțile sau fragmentele acestuia acolo. Tot ceea ce este necesar pentru un astfel de transfer este informațiile complete despre acesta preluate din obiect, care pot fi folosite pentru a recrea obiectul. Dar cât de exacte trebuie să fie aceste informații pentru a genera o copie exactă a originalului? Ce se întâmplă dacă aceste părți și fragmente ar fi reprezentate de electroni, atomi și molecule? Ce se va întâmpla cu proprietățile lor cuantice individuale, care, conform principiului de incertitudine al lui Heisenberg, nu pot fi măsurate cu o precizie arbitrară?
Bennett și colab. au demonstrat că este posibil să se transfere starea cuantică a unei particule la alta, adică procesul de teleportare cuantică, care nu asigură transmiterea niciunei informații despre această stare în procesul de transmitere. Această dificultate poate fi eliminată prin utilizarea principiului întanglementării ca proprietate specială a mecanicii cuantice. Ea cartografiază corelațiile dintre sistemele cuantice mult mai strict decât poate face orice corelație clasică. Abilitatea de a transfera informații cuantice este una dintre structurile de bază ale comunicării cuantice cu undă și ale calculului cuantic. Deși există progrese rapide în descrierea prelucrării informațiilor cuantice, dificultățile în controlul sistemelor cuantice nu permit progrese adecvate în implementarea experimentală a noilor propuneri. Deși nu promițăm progrese rapide în criptografia cuantică (considerații principale pentru transferul de date secrete), anterior doar am demonstrat cu succes posibilitatea codificării cuantice dense ca o modalitate de a îmbunătăți mecanic cuantic compresia datelor. Motivul principal pentru acest progres lent experimental este că, deși există metode pentru generarea de perechi de fotoni încâlciți, stările încurcate pentru atomi abia încep să fie studiate și nu sunt mai posibile decât stările încurcate pentru două cuante.
Aici publicăm prima verificare experimentală a teleportării cuantice. Prin crearea de perechi de fotoni încâlciți folosind un proces de conversie în jos parametrică și, de asemenea, prin utilizarea interferometriei cu doi fotoni pentru a analiza procesul de încurcare, putem transfera proprietățile cuantice (în cazul nostru, starea de polarizare) de la un foton la altul. Metodele dezvoltate în acest experiment vor avea o importanță deosebită atât pentru cercetarea în domeniul comunicării cuantice, cât și pentru viitoarele experimente privind fundamentele mecanicii cuantice.

În iunie 2013, un grup de fizicieni condus de Eugene Polzik a reușit să efectueze un experiment privind teleportarea deterministă a spinului colectiv a 10 12 atomi de cesiu cu jumătate de metru. Această lucrare este prezentată pe copertă. fizica naturii. De ce acesta este un rezultat cu adevărat important, care au fost dificultățile experimentale și, în sfârșit, ce este „teleportarea cuantică deterministă” „Lente.ru” a spus profesorul și membrul comitetului executiv al Centrului cuantic rus (RKC) Eugene Polzik.

„Lenta.ru”: Ce este „teleportarea cuantică”?

Pentru a înțelege cum diferă teleportarea cuantică de ceea ce vedem, de exemplu, în seria Star Trek, trebuie să înțelegeți un lucru simplu. Lumea noastră este aranjată în așa fel încât dacă vrem să știm ceva despre ceva, atunci în cele mai mici detalii vom greși mereu. Dacă, de exemplu, luăm un atom obișnuit, atunci nu va fi posibil să măsuram simultan viteza de mișcare și poziția electronilor în el (acesta este ceea ce se numește principiul incertitudinii Heisenberg). Adică, nu puteți reprezenta rezultatul ca o succesiune de zerouri și unu.

În mecanica cuantică, totuși, este potrivit să ne punem această întrebare: chiar dacă rezultatul nu poate fi notat, poate că poate fi totuși trimis? Acest proces de trimitere a informațiilor dincolo de acuratețea măsurătorilor clasice se numește teleportare cuantică.

Când a apărut pentru prima dată teleportarea cuantică?

Eugene Polzik, profesor al Institutului Niels Bohr, Universitatea din Copenhaga (Danemarca), membru al Comitetului executiv al Centrului cuantic din Rusia

În 1993, șase fizicieni - Bennett, Brossard și alții - au scris în Scrisori de revizuire fizică articol (pdf), în care au venit cu o terminologie minunată pentru teleportarea cuantică. Remarcabil și pentru că această terminologie a avut de atunci un efect extrem de pozitiv asupra publicului. În munca lor, protocolul de transfer de informații cuantice a fost descris pur teoretic.

În 1997, a fost efectuată prima teleportare cuantică a fotonilor (de fapt, au fost două experimente - grupurile Zaillinger și De Martini; Zaillinger este pur și simplu citat mai mult). În munca lor, ei au teleportat polarizarea fotonilor - direcția acestei polarizări este o mărime cuantică, adică o cantitate care ia valori diferite cu probabilități diferite. După cum sa dovedit, această valoare nu poate fi măsurată, dar poate fi teleportată.

Iată ceva de luat în considerare: în experimentele lui Zaillinger și De Martini, teleportarea a fost probabilistică, adică a funcționat cu o anumită probabilitate de succes. Ei au reușit să atingă o probabilitate de cel puțin 67 (2/3) la sută - ceea ce în rusă este potrivit să numim limită clasică.

Teleportarea în cauză se numește probabilistică. În 1998, noi, cei de la Caltech, am făcut ceva numit teleportare deterministă. Am teleportat faza și amplitudinea pulsului de lumină. Ele, după cum spun fizicienii, precum viteza și locația electronului, sunt „variabile care nu fac navetă” și, prin urmare, se supun principiului Heisenberg deja menționat. Adică nu permit măsurarea simultană.

Un atom poate fi considerat ca un mic magnet. Direcția acestui magnet este direcția rotației. Puteți controla orientarea unui astfel de „magnet” folosind un câmp magnetic și lumină. Fotonii - particule de lumină - au, de asemenea, un spin, care se numește și polarizare.

Care este diferența dintre teleportarea probabilistică și cea deterministă?

Pentru a explica, mai întâi trebuie să vorbim puțin despre teleportare. Imaginați-vă că în punctele A și B există atomi, pentru comoditate - unul câte unul. Vrem să teleportăm, să zicem, spin-ul unui atom de la A la B, adică să aducem atomul din punctul B în aceeași stare cuantică ca și atomul A. După cum am spus, un canal de comunicare clasic nu este suficient pentru asta, deci sunt necesare două canale - unul clasic, altul cuantic. Ca purtător de informații cuantice avem cuante de lumină.

În primul rând, trecem lumina prin atomul B. Are loc un proces de încurcare, în urma căruia se stabilește o legătură între lumină și spin-ul atomului. Când lumina ajunge la A, putem presupune că între cele două puncte a fost stabilit un canal de comunicare cuantică. Lumina, care trece prin A, citește informațiile din atom și după aceea lumina este captată de detectoare. Acest moment poate fi considerat momentul transferului de informații prin canalul cuantic.

Acum rămâne să transferăm rezultatul măsurării prin canalul clasic către B, astfel încât, pe baza acestor date, să se realizeze unele transformări asupra spinului atomului (de exemplu, câmpul magnetic este modificat). Ca urmare, în punctul B, atomul primește starea de spin a atomului A. Teleportarea este încheiată.

În realitate, însă, fotonii care călătoresc printr-un canal cuantic se pierd (de exemplu, dacă acest canal este o fibră optică obișnuită). Principala diferență între teleportarea probabilistică și cea deterministă constă tocmai în atitudinea față de aceste pierderi. Probabilistic nu-i pasă câți sunt pierduți acolo - dacă cel puțin unul din milionul de fotoni a ajuns, atunci este bine. În acest sens, desigur, este mai potrivit pentru trimiterea de fotoni pe distanțe lungi ( în prezent recordul este de 143 de kilometri - aprox. „Tapes.ru”). Teleportarea deterministă, pe de altă parte, are o atitudine mai proastă față de pierderi - în general, cu cât pierderile sunt mai mari, cu atât calitatea teleportării este mai proastă, adică la capătul receptor al firului se obține o stare cuantică nu tocmai originală - dar funcționează de fiecare dată, ca să spun clar, apeși butonul.

Starea încâlcită a luminii și a atomilor este în esență o stare încurcată a spinurilor lor. Dacă spinurile, de exemplu, ale unui atom și ale unui foton sunt încurcate, atunci măsurătorile parametrilor lor, după cum spun fizicienii, sunt corelate. Aceasta înseamnă că, de exemplu, dacă măsurarea spinului unui foton a arătat că acesta este îndreptat în sus, atunci spinul atomului va fi îndreptat în jos; dacă rotația fotonului s-a dovedit a fi îndreptată spre dreapta, atunci rotația atomului va fi îndreptată spre stânga și așa mai departe. Trucul este că înainte de măsurare, nici fotonul, nici atomul nu au o direcție definită de spin. Cum se face că, în ciuda acestui fapt, ele sunt corelate? Aici ar trebui să înceapă „învârtirea capului de la mecanica cuantică”, așa cum a spus Niels Bohr.

Eugen Polzik

Și cum diferă ele ca sferă de aplicare?

Probabilistic, așa cum am spus, este potrivit pentru transmisia de date pe distanțe lungi. Să zicem, dacă în viitor dorim să construim un Internet cuantic, atunci vom avea nevoie exact de acest tip de teleportare. Cât despre cel determinist, acesta poate fi util pentru teleportarea unor procese.

Aici trebuie să clarificăm imediat: acum nu există o astfel de graniță clară între aceste două tipuri de teleportare. De exemplu, în Centrul cuantic din Rusia (și nu numai în acesta), sunt dezvoltate sisteme „hibride” de comunicații cuantice, unde sunt utilizate abordări parțial probabiliste și parțial deterministe.

În munca noastră, teleportarea procesului a fost, știți, stroboscopică - încă nu vorbim de teleportare continuă.

Deci este un proces discret?

Da. De fapt, teleportarea de stat, desigur, poate avea loc o singură dată. Unul dintre lucrurile pe care mecanica cuantică le interzice este clonarea stărilor. Adică, dacă ai teleportat ceva, atunci l-ai distrus.

Spune-ne despre ce a realizat grupul tău.

Aveam un ansamblu de atomi de cesiu și am teleportat rotația colectivă a sistemului. Gazul nostru se afla sub influența unui laser și a unui câmp magnetic, așa că spinurile atomilor erau orientate aproximativ la fel. Un cititor nepregătit își poate imagina așa - echipa noastră este un ac mare magnetic.

Săgeata are o nedeterminare a direcției (asta înseamnă că spinurile sunt orientate „aproximativ” la fel), aceeași Heisenberg. Este imposibil să măsori cu precizie direcția acestei incertitudini, dar teleportarea poziției este destul de posibilă. Mărimea acestei incertitudini este de unu pe rădăcina pătrată a numărului de atomi.

Aici este important să facem o digresiune. Sistemul meu preferat este un gaz de atomi la temperatura camerei. Problema cu acest sistem este aceasta: la temperatura camerei, stările cuantice se destramă rapid. În cazul nostru, totuși, aceste stări de spin trăiesc foarte mult timp. Și acest lucru a fost realizat datorită cooperării cu oamenii de știință din Sankt Petersburg.

Ei au dezvoltat acoperiri care sunt numite științific acoperiri cu alchene. De fapt, este ceva foarte asemănător cu parafina. Dacă pulverizați o astfel de acoperire pe interiorul unei celule de sticlă cu gaz, atunci moleculele de gaz zboară (cu o viteză de 200 de metri pe secundă) și se ciocnesc cu pereții, dar nu se întâmplă nimic cu rotirea lor. Ele pot rezista la aproximativ un milion de ciocniri. Am o astfel de reprezentare vizuală a acestui proces: învelișul este ca o pădure întreagă de viță de vie, foarte mare și, pentru a-ți strica spatele, trebuie să-ți transferi rotirea cuiva. Și acolo este totul atât de mare și de legat, încât nu are cui să-i transmită, așa că el intră acolo, se zboară și zboară înapoi și nu i se întâmplă nimic. Am început să lucrăm cu aceste acoperiri acum 10 ani. Acum au fost îmbunătățite și s-a dovedit că este posibil să se lucreze cu ei în domeniul cuantic.

Deci, înapoi la atomii noștri de cesiu. Au fost la temperatura camerei (acest lucru este și bine pentru că straturile de alchenă nu rezistă la temperaturi ridicate, iar pentru a obține gaze, de obicei, ceva trebuie evaporat, adică încălzit).

Ai teleportat rotirea cu o jumătate de metru. Este o distanță atât de mică o limitare fundamentală?

Desigur că nu. După cum am spus, teleportarea deterministă nu suferă pierderi, așa că impulsurile noastre laser au trecut prin spațiu deschis - dacă le-am împinge înapoi în fibră, ar exista invariabil un fel de pierdere. În general, dacă sunteți implicat în futurism acolo, atunci este foarte posibil să trageți la un satelit cu același fascicul, care va transmite semnalul la locul potrivit.

Ai spus că ai planuri de teleportare continuă?

Da. Doar aici continuitatea trebuie înțeleasă în mai multe sensuri. Pe de o parte, avem 10 12 atomi în lucru, astfel încât discretitatea direcției spinului colectiv este atât de mică încât este posibil să descriem spinul prin variabile continue. În acest sens, teleportarea noastră a fost continuă.

Pe de altă parte, dacă procesul se schimbă în timp, atunci putem vorbi despre continuitatea lui în timp. Deci pot face următoarele. Acest proces are, să spunem, un fel de constantă de timp - să presupunem că se întâmplă în milisecunde, așa că l-am luat și l-am rupt în microsecunde, iar „boom-ul” sa teleportat după prima microsecundă; atunci trebuie să revii la starea inițială.

Fiecare astfel de teleportare, desigur, distruge starea de teleportare, cu toate acestea, excitația externă pe care o provoacă acest proces nu se atinge. Prin urmare, în esență, teleportăm o anumită integrală. Putem „extinde” această integrală și învățăm ceva despre excitațiile externe. Tocmai a apărut o lucrare teoretică în care se propun toate acestea Scrisori de revizuire fizică.

De fapt, o astfel de teleportare înainte și înapoi poate fi folosită pentru lucruri foarte profunde. Am ceva ce se întâmplă aici, și ceva se întâmplă aici, iar cu ajutorul unui canal de teleportare pot simula o interacțiune - de parcă aceste două rotiri, care nu au interacționat niciodată între ele, interacționează efectiv. Aceasta este o astfel de simulare cuantică.

Și simularea cuantică este la care sare toată lumea acum. În loc să factorizezi în milioane de cifre, poți doar simula. Amintește-ți aceeași undă D.

Poate fi folosită teleportarea deterministă în calculatoarele cuantice?

Poate, dar atunci va fi necesar să teleportați qubiții. Aici vor fi deja necesari tot felul de algoritmi de corectare a erorilor. Și abia încep să fie dezvoltate.

Profesor al Facultății de Fizică de la Universitatea din Calgary (Canada), membru al Institutului Canadian de Studii Superioare, Alexander Lvovsky, a încercat să explice în termeni simpli principiile teleportării cuantice și ale criptografiei cuantice.

Cheia castelului

Criptografia este arta de a comunica în siguranță printr-un canal nesigur. Adică aveți o anumită linie care poate fi ascultată și trebuie să trimiteți un mesaj secret peste ea pe care nimeni altcineva nu îl poate citi.

Imaginați-vă că, de exemplu, dacă Alice și Bob au o așa-numită cheie secretă, și anume o secvență secretă de zerouri și unele pe care nimeni altcineva nu le are, ei pot cripta un mesaj folosind această cheie, folosind operația exclusivă OR, astfel încât zero să se potrivească cu zero și unul cu unu. Un astfel de mesaj criptat poate fi deja transmis pe un canal deschis. Dacă cineva îl interceptează, e în regulă, pentru că nimeni nu îl poate citi, cu excepția lui Bob, care are o copie a cheii secrete.

În orice criptografie, în orice comunicare, cea mai scumpă resursă este o secvență aleatorie de zerouri și unu, care este deținută de doar doi care comunică. Dar, în majoritatea cazurilor, se utilizează criptografia cu cheie publică. Să presupunem că cumpărați ceva cu un card de credit dintr-un magazin online folosind un protocol HTTPS securizat. Potrivit acestuia, computerul dumneavoastră vorbește cu un server cu care nu a mai comunicat până acum și nu a avut ocazia să schimbe o cheie secretă cu acest server.

Misterul acestui dialog este asigurat de rezolvarea unei probleme matematice complexe, în special, descompunerea în factori primi. Este ușor să înmulțiți două numere prime, dar dacă sarcina este deja dată de a găsi produsul lor, de a găsi doi factori, atunci este dificil. Dacă numărul este suficient de mare, va necesita mulți ani de calcule de la un computer convențional.

Cu toate acestea, dacă acest computer nu este obișnuit, ci cuantic, va rezolva cu ușurință o astfel de problemă. Când va fi în sfârșit inventată, metoda folosită pe scară largă de mai sus se va dovedi a fi inutilă, ceea ce este de așteptat să fie dezastruos pentru societate.

Dacă vă amintiți, în prima carte Harry Potter, protagonistul a trebuit să treacă prin securitate pentru a ajunge la Piatra Filosofală. Există ceva asemănător aici: pentru cei care au stabilit protecția, va fi ușor să o treacă. A fost foarte greu pentru Harry, dar până la urmă a depășit-o totuși.

Acest exemplu ilustrează foarte bine criptografia cu cheie publică. Oricine nu-l cunoaște este în principiu capabil să descifreze mesajele, dar îi va fi foarte greu, iar asta poate dura mulți ani. Criptografia cu cheie publică nu oferă securitate absolută.

criptografia cuantică

Toate acestea explică necesitatea criptografiei cuantice. Ea ne oferă tot ce este mai bun din ambele lumi. Există o metodă de pad unică, fiabilă, dar, pe de altă parte, care necesită o cheie secretă „scumpe”. Pentru ca Alice să comunice cu Bob, trebuie să-i trimită un curier cu o valiză plină cu discuri care conțin astfel de chei. Le va consuma treptat, deoarece fiecare dintre ele poate fi folosită o singură dată. Pe de altă parte, avem metoda cheii publice, care este „ieftină”, dar nu oferă securitate absolută.

Criptografia cuantică, pe de o parte, este „ieftină”, permite transmiterea în siguranță a unei chei pe un canal care poate fi piratat și, pe de altă parte, garantează secretul datorită legilor fundamentale ale fizicii. Sensul său este de a codifica informații în starea cuantică a fotonilor individuali.

În conformitate cu postulatele fizicii cuantice, starea cuantică în momentul în care se încearcă măsurarea este distrusă și schimbată. Astfel, dacă există vreun spion pe linia dintre Alice și Bob care încearcă să asculte cu urechea sau să piardă, el va schimba inevitabil starea fotonilor, cei care comunică vor observa că linia este interceptată, vor opri comunicarea și vor lua măsuri.

Spre deosebire de multe alte tehnologii cuantice, criptografia cuantică este comercială, nu științifico-fantastică. Deja, există companii care produc servere conectate la o linie convențională de fibră optică, prin care poți comunica în siguranță.

Cum funcționează un divizor de fascicul polarizat

Lumina este o undă electromagnetică transversală, care oscilează nu de-a lungul, ci de-a lungul. Această proprietate se numește polarizare și este prezentă chiar și în fotonii individuali. Ele pot fi folosite pentru a codifica informații. De exemplu, un foton orizontal este zero și un foton vertical este unul (același lucru este valabil și pentru fotonii cu polarizări de plus 45 de grade și minus 45 de grade).

Alice a codificat informațiile în acest fel, iar Bob trebuie să le accepte. Pentru aceasta, se folosește un dispozitiv special - un separator de fascicul polarizant, un cub format din două prisme lipite împreună. Transmite un flux polarizat orizontal și reflectă unul polarizat vertical, datorită căruia informația este decodificată. Dacă fotonul orizontal este zero și fotonul vertical este unul, atunci un detector va face clic în cazul unui zero logic, iar celălalt în cazul unuia.

Dar ce se întâmplă dacă trimitem un foton diagonal? Atunci celebrul accident cuantic începe să joace un rol. Este imposibil de spus dacă un astfel de foton va trece sau va fi reflectat - va face una sau alta cu o probabilitate de 50 la sută. Prezicerea comportamentului său este imposibilă în principiu. În plus, această proprietate stă la baza generatoarelor comerciale de numere aleatoare.

Ce să facem dacă avem sarcina de a distinge polarizări de plus 45 de grade și minus 45 de grade? Este necesar să rotiți separatorul de fascicul în jurul axei fasciculului. Atunci legea aleatoriei cuantice va funcționa pentru fotonii cu polarizări orizontale și verticale. Această proprietate este fundamentală. Nu ne putem întreba ce polarizare are acest foton.

Principiul criptografiei cuantice

Care este ideea din spatele criptografiei cuantice? Să presupunem că Alice îi trimite un foton lui Bob, pe care îl codifică fie orizontal-vertical, fie în diagonală. Bob aruncă, de asemenea, o monedă, hotărând aleatoriu dacă baza lui va fi orizontal-verticală sau diagonală. Dacă metodele lor de codificare se potrivesc, Bob va primi datele trimise de Alice, dacă nu, atunci niște prostii. Ei efectuează această operațiune de multe mii de ori, apoi „apelează” pe un canal deschis și își spun unul altuia în ce baze au efectuat transferul - putem presupune că această informație este acum disponibilă oricui. În continuare, Bob și Alice vor putea să elimine evenimentele în care bazele au fost diferite și să le lase pe cele în care au fost aceleași (vor fi aproximativ jumătate).

Să presupunem că s-a băgat în linie un spion care vrea să asculte cu urechea mesajele, dar trebuie și să măsoare informațiile pe anumite baze. Imaginează-ți că Alice și Bob au același lucru, dar spionul nu. Într-o situație în care datele au fost trimise pe o bază orizontală-verticală, iar interceptătorul a măsurat transmisia în diagonală, el va primi o valoare aleatorie și va trimite niște fotoni arbitrari lui Bob, deoarece nu știe ce ar trebui să fie. Astfel, imixtiunea lui va fi observată.

Cea mai mare problemă în criptografia cuantică este pierderea. Chiar și cea mai bună și mai modernă fibră oferă o pierdere de 50% pentru fiecare 10-12 kilometri de cablu. Să presupunem că ne trimitem cheia secretă de la Moscova la Sankt Petersburg - pentru 750 de kilometri și doar unul dintr-un miliard de miliard de fotoni va atinge obiectivul. Toate acestea fac ca tehnologia să fie complet impracticabilă. De aceea, criptografia cuantică modernă funcționează doar la o distanță de aproximativ 100 de kilometri. Teoretic, se știe cum se rezolvă această problemă - cu ajutorul repetoarelor cuantice, dar implementarea lor necesită teleportare cuantică.

legatura cuantica

Definiția științifică a entanglementului cuantic este o stare delocalizată de suprapunere. Sună complicat, dar un exemplu simplu poate fi dat. Să presupunem că avem doi fotoni: orizontal și vertical, ale căror stări cuantice sunt interdependente. Pe unul dintre ele îl trimitem lui Alice, iar celălalt lui Bob, care face măsurători pe un divizor de fascicul polarizant.

Atunci când aceste măsurători sunt efectuate pe baza obișnuită orizontal-verticală, este clar că rezultatul va fi corelat. Dacă Alice a observat un foton orizontal, atunci cel de-al doilea, desigur, va fi vertical și invers. Acest lucru poate fi imaginat într-un mod mai simplu: avem o minge albastră și una roșie, pe fiecare dintre ele le sigilăm într-un plic fără să ne uităm și o trimitem la doi destinatari - dacă unul primește roșu, al doilea cu siguranță va primi albastru.

Dar în cazul întanglementării cuantice, problema nu se limitează la asta. Această corelație are loc nu numai în baza orizontal-verticală, ci și în oricare alta. De exemplu, dacă Alice și Bob își rotesc divizoarele la 45 de grade în același timp, vor avea din nou o potrivire perfectă.

Acesta este un fenomen cuantic foarte ciudat. Să presupunem că Alice și-a întors cumva separatorul de fascicul și a găsit un foton cu polarizare α care a trecut prin el. Dacă Bob își măsoară fotonul în aceeași bază, va găsi o polarizare de 90 de grade +α.

Deci, la început avem o stare de încurcare: fotonul lui Alice este complet nedefinit și fotonul lui Bob este complet nedefinit. Când Alice și-a măsurat fotonul, a găsit o valoare, acum știm exact ce foton are Bob, indiferent cât de departe ar fi. Acest efect a fost confirmat în mod repetat de experimente, aceasta nu este o fantezie.

Să presupunem că Alice are un anumit foton cu polarizare α, pe care nu îl cunoaște încă, adică într-o stare necunoscută. Nu există un canal direct între ea și Bob. Dacă ar exista un canal, atunci Alice ar putea să înregistreze starea fotonului și să-i transmită această informație lui Bob. Dar este imposibil să cunoști starea cuantică într-o singură măsurare, așa că această metodă nu este potrivită. Cu toate acestea, între Alice și Bob există o pereche de fotoni încâlciți pre-preparată. Datorită acestui fapt, este posibil ca fotonul lui Bob să ia starea inițială a fotonului lui Alice, „telefonat” mai târziu pe o linie telefonică condiționată.

Iată un clasic (deși un analog foarte îndepărtat) din toate acestea. Alice și Bob primesc fiecare câte un balon roșu sau albastru într-un plic. Alice vrea să-i trimită lui Bob informații despre ceea ce are. Pentru a face acest lucru, ea are nevoie, după ce l-a „telefonat” pe Bob, să compare bilele, spunându-i „Am aceeași” sau „Avem altele diferite”. Dacă cineva ascultă această linie, nu-l va ajuta să-și recunoască culoarea.

Astfel, există patru opțiuni pentru rezultatul evenimentelor (condiționat, destinatarii au baloane albastre, baloane roșii, roșii și albastre, sau albastre și roșii). Sunt interesante pentru că formează o bază. Dacă avem vreo doi fotoni cu polarizare necunoscută, atunci le putem „pune o întrebare” în care dintre aceste stări se află și obținem un răspuns. Dar dacă cel puțin unul dintre ei este încurcat cu alt foton, atunci efectul pregătirii la distanță va avea loc, iar al treilea foton, la distanță, se va „pregăti” într-o anumită stare. Pe asta se bazează teleportarea cuantică.

Cum funcționează totul? Avem o stare încurcată și un foton pe care vrem să-l teleportăm. Alice trebuie să facă o măsurătoare adecvată a fotonului teleportat original și să întrebe în ce stare se află celălalt. La întâmplare, ea primește unul dintre cele patru răspunsuri posibile. Ca urmare a efectului de gătit la distanță, se dovedește că după această măsurătoare, în funcție de rezultat, fotonul lui Bob a intrat într-o anumită stare. Înainte de aceasta, a fost încurcat cu fotonul Alicei, fiind într-o stare nedeterminată.

Alice îi spune lui Bob prin telefon care a fost măsura ei. Dacă rezultatul său, să spunem, s-a dovedit a fi ψ-, atunci Bob știe că fotonul său s-a transformat automat în această stare. Dacă Alice a raportat că măsurarea ei a dat rezultatul ψ+, atunci fotonul lui Bob a preluat polarizarea -α. La sfârșitul experimentului de teleportare, Bob are o copie a fotonului original al Alicei, iar fotonul ei și informațiile despre acesta sunt distruse în acest proces.

tehnologie de teleportare

Acum suntem capabili să teleportăm polarizarea fotonilor și unele stări ale atomilor. Dar când scriu, spun ei, oamenii de știință au învățat cum să teleporteze atomii - aceasta este o înșelăciune, deoarece atomii au o mulțime de stări cuantice, un set infinit. În cel mai bun caz, ne-am dat seama cum să teleportăm câteva dintre ele.

Întrebarea mea preferată este când va avea loc teleportarea umană? Răspunsul este niciodată. Să presupunem că îl avem pe căpitanul Picard din seria Star Trek care trebuie teleportat la suprafața planetei de pe o navă. Pentru a face acest lucru, după cum știm deja, trebuie să facem încă câteva dintre aceleași Picard, să le aducem într-o stare confuză care include toate stările lui posibile (trebru, beat, dormit, fumat - absolut totul) și să luăm măsurători pe ambii. Este clar cât de dificil și nerealist este acest lucru.

Teleportarea cuantică este un fenomen interesant, dar de laborator. Lucrurile nu vor ajunge la teleportarea ființelor vii (cel puțin în viitorul apropiat). Cu toate acestea, poate fi folosit în practică pentru a crea repetoare cuantice pentru transmiterea informațiilor pe distanțe lungi.