Nikdy predtým Runet nezažil taký smäd po vedomostiach v kvantovej mechanike ako po uverejnení článku v novinách Kommersant, v ktorom sa spomínajú plány na zavedenie „teleportácie“ v Rusku. Program Agentúry pre strategické iniciatívy (ASI) pre technologický rozvoj Ruska sa však neobmedzuje len na „teleportáciu“, práve tento termín však pritiahol pozornosť sociálnych sietí a médií a stal sa dôvodom mnohých vtipy.

Potom sa zapletené častice oddelia na požadovanú vzdialenosť – tak, že na jednom mieste zostanú fotóny A a B, na druhom C. Medzi týmito dvoma bodmi je vedený kábel z optických vlákien. Všimnite si, že maximálna vzdialenosť, na ktorú bola vykonaná kvantová teleportácia, je už viac ako 100 km.

Úlohou je preniesť kvantový stav nezapletenej častice A na časticu C. Vedci k tomu merajú kvantovú vlastnosť fotónov A a B. Výsledky meraní sú následne prevedené do binárneho kódu, ktorý vypovedá o rozdieloch medzi častice A a B.

Tento kód sa potom prenesie cez tradičný komunikačný kanál, optické vlákno, a príjemca správy na druhom konci kábla, ktorý vlastní časticu C, použije túto informáciu ako inštrukciu alebo kľúč na manipuláciu s časticou C. esencie, prinavrátenie častice C do stavu, ktorý mala častica C. častica A. V dôsledku toho častica C kopíruje kvantový stav častice A – teleportuje sa informácia.

Načo to všetko je?

V prvom rade sa plánuje využitie kvantovej teleportácie v kvantovej komunikácii a kvantových kryptografických technológiách – bezpečnosť tohto typu komunikácie vyzerá atraktívne pre biznis aj štát a využitie kvantovej teleportácie umožňuje vyhnúť sa strate informácií pri fotónoch. pohybovať sa po optickom vlákne.

Nedávno sa napríklad dozvedelo o úspešnom prenose kvantových informácií medzi dvoma pobočkami Gazprombank v Moskve cez 30,6-kilometrovú optiku. Projekt, na ktorom pracovalo Ruské kvantové centrum (RKC) a do ktorého Gazprombank a Ministerstvo školstva a vedy Ruskej federácie investovali 450 miliónov rubľov, sa v skutočnosti ukázalo ako prvá „mestská“ kvantová komunikačná linka v Rusku.

Ďalším smerom ˜ sú kvantové počítače, kde môžu byť zapletené častice použité ako qubity – jednotky kvantovej informácie.

Ďalšou myšlienkou je „kvantový internet“: celá sieť komunikácií založená výlučne na kvantovej komunikácii. Na implementáciu tohto konceptu sa však výskumníci musia „naučiť, ako prenášať kvantové stavy medzi objektmi rôznej fyzickej povahy – fotónmi, atómami, kvantovými bodkami, supravodivými obvodmi atď.“, povedal Alexander Lvovsky, zamestnanec RCC a profesor na univerzite v Calgary v rozhovore s publikáciou N + 1.

Všimnite si, že v súčasnosti sa vedci teleportujú v základných stavoch fotónov a atómov; väčšie objekty ešte neboli teleportované.

Kvantová teleportácia ako „rovnaká“ teleportácia

Zjavne sa hypoteticky dá kvantová teleportácia stále použiť na vytváranie kópií veľkých objektov vrátane ľudí – telo sa totiž skladá aj z atómov, ktorých kvantové stavy sa dajú teleportovať. V súčasnej fáze technologického rozvoja sa to však považuje za nemožné a pripisuje sa to ríši fantázie.

„Skladáme sa z kyslíka, vodíka a uhlíka s trochou iných chemických prvkov. Ak nazbierame potrebný počet atómov potrebných prvkov a následne ich pomocou teleportácie uvedieme do stavu identického s ich stavom v tele teleportovanej osoby, dostaneme tú istú osobu. Bude fyzikálne na nerozoznanie od originálu okrem svojej polohy v priestore (napokon, identické kvantové častice sú na nerozoznanie). Samozrejme, že to maximálne preháňam – od ľudskej teleportácie nás delí celá večnosť. Podstata problému je však presne toto: identické kvantové častice sa nachádzajú všade, ale nie je vôbec ľahké ich priviesť do požadovaného kvantového stavu, “povedal Alexander Lvovsky v rozhovore pre N + 1.

Vo vzdialenosti asi 1200 kilometrov - medzi zemou a vesmírom! Vedci plánujú uskutočniť podobné experimenty aj s kvantovou teleportáciou medzi Zemou a Mesiacom.

Teleportácia ... Slovo zo sci-fi kníh, z príbehov o vesmírnych dobrodružstvách, kde hrdinovia prekonávajú obrovské vzdialenosti za pár sekúnd pomocou teleportu. Kvantová teleportácia nemá nič spoločné so skutočným pohybom predmetov. V tom prípade, čo to je a prečo sa to tak volá? O kvantovej teleportácii AiF.ru povedal vedúci laboratória fyziky Polytechnického múzea Jurij Michajlovský:

„Musíte pochopiť, že pri kvantovej teleportácii sa objekt nepremiestňuje z jedného miesta v priestore na druhé, ako pri teleportácii v obvyklom zmysle slova. Pomocou kvantovej teleportácie sa teleportuje nie samotný objekt, to znamená, že sa okamžite pohne, ale stav tohto objektu! Zhruba povedané, máme určitý objekt, ktorý má určitý stav a pomocou kvantovej teleportácie vieme tento stav preniesť na iné miesto tak, že sa tam objaví objekt s rovnakými vlastnosťami. (V Číne sa bude stav častíc medzi dvoma bodmi na Zemi vysielať pomocou vesmírneho satelitu, ktorý sa kvôli tomuto experimentu dostane na obežnú dráhu – pozn. red.) Ale o objekte – podmienečne. Dovoľte mi vysvetliť: teraz nevieme, ako preniesť stav zložitých objektov. Ide o sprostredkovanie stavu jednotlivých atómov alebo fotónov, nič viac.

Aby ste mohli implementovať kvantovú teleportáciu, musíte vytvoriť kvantový prepletený pár. Pre jednoduchosť sa budeme baviť o jednom stave, o stave spinu častice. Môže byť v dvoch stavoch: roztočenie hore a dole. Pokúsime sa sprostredkovať tieto stavy. Snažíme sa teda vytvoriť takzvaný kvantovo zapletený pár (zvyčajne pár svetelných fotónov). Je usporiadané tak, že ich celkový spin je nulový. To znamená, že jeden fotón má rotáciu hore, druhý má rotáciu dole, keď vytvoríme tento pár, ich súčet je nula. Zároveň nielenže nevieme, kam sa fotóny pozerajú, ale ani samotné fotóny nevedia, ktorým smerom sú smerované ich rotácie. Sú v takzvanom zmiešanom stave, neurčitom. Možno sa točí hore, možno dole, nikto nevie, kým sa neuskutoční meranie.

Ale máme záruku, že ak zmeriame jeden spin a ten sa pozrie hore, tak spin druhého fotónu sa pozrie dole. Teraz zoberme dva zapletené fotóny a rozložme ich na veľkú vzdialenosť, napríklad kilometer. A tu vezmeme jeden z fotónov a zmeriame jeho stav. Určíme, že má spin up a v tomto momente sa vo vzdialenosti jedného kilometra spin ďalšieho zmiešaného fotónu zmení na stav so spinom dole. Aktom merania jedného fotónu sme zmenili stav iného fotónu.

Zvyčajne sa tieto dva zapletené fotóny nazývajú Ansila a Bob.

Tento efekt kvantového zapletenia sa používa na teleportáciu. Máme otočku, ktorú by sme chceli teleportovať, zvyčajne sa volá Alice. Takže sa zmeria celkový spin Alice a Ansily a Bob v tomto momente dostane stav Alice alebo k nemu konjugovaný (opačný). O akej, sa dozvedáme z výsledku merania. Potom musíme tieto informácie preniesť cez obvyklý komunikačný kanál. Či má byť Bob otočený alebo nie.

Ak napríklad vysielame stavy 10 zatočení, tak na dokončenie teleportácie je potrebné poslať správu ako: „Zmena na opačné stavy 1, 3, 5, 6 a 8“.

Takto funguje kvantová teleportácia.

Kľúčová štúdia dokazujúca zásadnú možnosť kvantovej teleportácie fotónov.

Je to nevyhnutné pre zásadné fyzikálne zdôvodnenie zásadnej možnosti vzdialenej translácie genetickej a metabolickej informácie pomocou polarizovaných (spinningových) fotónov. Dôkaz použiteľný pre in vitro (pomocou lasera) aj pre in vivo transláciu, t.j. v samotnom biosystéme medzi bunkami.

Experimentálna kvantová teleportácia

Experimentálne bola preukázaná kvantová teleportácia – prenos a obnova stavu kvantového systému na ľubovoľnú vzdialenosť. V procese teleportácie je primárny fotón polarizovaný a táto polarizácia je stav prenášaný na diaľku. V tomto prípade je objektom merania dvojica entanglovaných fotónov, pričom druhý fotón z entanglovanej dvojice môže byť ľubovoľne vzdialený od počiatočného. Kvantová teleportácia bude kľúčovým prvkom v kvantových počítačových sieťach.

Sen o teleportácii je snom o možnosti cestovať jednoduchým objavením sa v určitej vzdialenosti. Objekt teleportácie môže svojimi vlastnosťami plne charakterizovať klasická fyzika prostredníctvom meraní. Aby bolo možné vytvoriť kópiu tohto objektu na určitú vzdialenosť, nie je potrebné tam prenášať jeho časti alebo fragmenty. Všetko, čo je potrebné na takýto prenos, sú úplné informácie o ňom prevzaté z objektu, ktoré možno použiť na opätovné vytvorenie objektu. Aké presné však musia byť tieto informácie, aby sa vytvorila presná kópia originálu? Čo keby boli tieto časti a fragmenty reprezentované elektrónmi, atómami a molekulami? Čo sa stane s ich individuálnymi kvantovými vlastnosťami, ktoré podľa Heisenbergovho princípu neurčitosti nemožno merať s ľubovoľnou presnosťou?
Bennett a spol dokázali, že je možné preniesť kvantový stav jednej častice na druhú, t.j. proces kvantovej teleportácie, ktorý nezabezpečuje prenos akejkoľvek informácie o tomto stave v procese prenosu. Tento problém je možné odstrániť použitím princípu zapletenia ako špeciálnej vlastnosti kvantovej mechaniky. Mapuje korelácie medzi kvantovými systémami oveľa prísnejšie, ako to dokážu akékoľvek klasické korelácie. Schopnosť prenášať kvantové informácie je jednou zo základných štruktúr vlnovej kvantovej komunikácie a kvantových výpočtov. Aj keď v popise spracovania kvantových informácií dochádza k rýchlemu pokroku, ťažkosti s riadením kvantových systémov neumožňujú primeraný pokrok v experimentálnej implementácii nových návrhov. Aj keď nesľubujeme rýchly pokrok v kvantovej kryptografii (primárne úvahy pri prenose tajných údajov), predtým sme len úspešne dokázali možnosť kvantovo hustého kódovania ako spôsobu kvantového mechanického zlepšenia kompresie údajov. Hlavným dôvodom tohto pomalého experimentálneho pokroku je, že hoci existujú metódy na generovanie párov zapletených fotónov, zapletené stavy pre atómy sa len začínajú študovať a nie sú o nič viac možné ako zapletené stavy pre dve kvantá.
Tu uverejňujeme prvé experimentálne overenie kvantovej teleportácie. Vytvorením párov zapletených fotónov pomocou procesu parametrickej konverzie smerom nadol a tiež použitím dvojfotónovej interferometrie na analýzu procesu zapletenia môžeme preniesť kvantové vlastnosti (v našom prípade stav polarizácie) z jedného fotónu na druhý. Metódy vyvinuté v tomto experimente budú mať veľký význam tak pre výskum v oblasti kvantovej komunikácie, ako aj pre budúce experimenty na základoch kvantovej mechaniky.

V júni 2013 sa skupine fyzikov vedenej Eugenom Polzikom podarilo uskutočniť experiment deterministickej teleportácie kolektívneho spinu 10 12 atómov cézia o pol metra. Toto dielo je uvedené na obálke. fyzika prírody. Prečo je to skutočne dôležitý výsledok, aké boli experimentálne ťažkosti a napokon, čo je to „deterministická kvantová teleportácia“ „Lente.ru“ povedal profesor a člen výkonného výboru Ruského kvantového centra (RKC) Eugene. Polzik.

"Lenta.ru": Čo je to "kvantová teleportácia"?

Aby ste pochopili, ako sa kvantová teleportácia líši od toho, čo vidíme napríklad v sérii Star Trek, musíte pochopiť jednu jednoduchú vec. Náš svet je usporiadaný tak, že ak chceme o čomkoľvek niečo vedieť, tak v najmenších detailoch vždy urobíme chyby. Ak napríklad vezmeme obyčajný atóm, potom nebude možné súčasne merať rýchlosť pohybu a polohu elektrónov v ňom (toto sa nazýva Heisenbergov princíp neurčitosti). To znamená, že nemôžete reprezentovať výsledok ako postupnosť núl a jednotiek.

V kvantovej mechanike je však namieste položiť si túto otázku: aj keď sa výsledok nedá zapísať, možno sa ešte dá poslať? Tento proces odosielania informácií presahujúcich presnosť klasických meraní sa nazýva kvantová teleportácia.

Kedy sa prvýkrát objavila kvantová teleportácia?

Eugene Polzik, profesor Inštitútu Nielsa Bohra, Univerzita v Kodani (Dánsko), člen výkonného výboru Ruského kvantového centra

V roku 1993 napísalo šesť fyzikov – Bennett, Brossard a ďalší Fyzické kontrolné listyčlánok (pdf), v ktorom prišli s úžasnou terminológiou pre kvantovú teleportáciu. Pozoruhodné aj preto, že odvtedy táto terminológia pôsobí na verejnosť mimoriadne pozitívne. V ich práci bol protokol kvantového prenosu informácií opísaný čisto teoreticky.

V roku 1997 sa uskutočnila prvá kvantová teleportácia fotónov (v skutočnosti išlo o dva experimenty – skupiny Zaillinger a De Martini; Zaillinger je jednoducho citovaný viac). Vo svojej práci teleportovali polarizáciu fotónov - smer tejto polarizácie je kvantová veličina, teda veličina, ktorá nadobúda rôzne hodnoty s rôznou pravdepodobnosťou. Ako sa ukázalo, táto hodnota sa nedá zmerať, no dá sa teleportovať.

Tu je niečo na zváženie: v experimentoch Zaillingera a De Martiniho bola teleportácia pravdepodobnostná, to znamená, že fungovala s určitou pravdepodobnosťou úspechu. Podarilo sa im dosiahnuť pravdepodobnosť aspoň 67 (2/3) percent – ​​čo sa v ruštine sluší nazvať klasickým limitom.

Predmetná teleportácia sa nazýva pravdepodobnostná. V roku 1998 sme v Caltech urobili niečo, čo sa nazývalo deterministická teleportácia. Teleportovali sme fázu a amplitúdu svetelného impulzu. Ako hovoria fyzici, rovnako ako rýchlosť a umiestnenie elektrónu, sú „nepremenné premenné“, a preto sa riadia už spomínaným Heisenbergovým princípom. To znamená, že neumožňujú súčasné meranie.

Atóm si možno predstaviť ako malý magnet. Smer tohto magnetu je smerom rotácie. Orientáciu takéhoto „magnetu“ môžete ovládať pomocou magnetického poľa a svetla. Fotóny - častice svetla - majú tiež spin, ktorý sa nazýva aj polarizácia.

Aký je rozdiel medzi pravdepodobnostnou a deterministickou teleportáciou?

Aby sme to vysvetlili, najprv si musíme povedať niečo viac o teleportácii. Predstavte si, že v bodoch A a B sú atómy, pre pohodlie - jeden po druhom. Chceme teleportovať povedzme rotáciu atómu z A do B, čiže priviesť atóm v bode B do rovnakého kvantového stavu ako atóm A. Ako som povedal, jeden klasický komunikačný kanál na to nestačí, takže sú potrebné dva kanály - jeden klasický, druhý kvantový. Ako nosič kvantovej informácie máme svetelné kvantá.

Najprv prejdeme svetlom cez atóm B. Dochádza k procesu zapletenia, v dôsledku čoho sa vytvorí spojenie medzi svetlom a rotáciou atómu. Keď svetlo dorazí do A, môžeme predpokladať, že medzi týmito dvoma bodmi bol vytvorený kvantový komunikačný kanál. Svetlo prechádzajúce cez A prečíta informácie z atómu a potom svetlo zachytia detektory. Práve tento moment možno považovať za moment prenosu informácie cez kvantový kanál.

Teraz zostáva preniesť výsledok merania klasickým kanálom do B, aby sa na základe týchto údajov vykonali nejaké transformácie na spine atómu (napríklad sa zmenilo magnetické pole). Výsledkom je, že v bode B atóm dostane spinový stav atómu A. Teleportácia je dokončená.

V skutočnosti sa však fotóny pohybujúce sa kvantovým kanálom stratia (napríklad ak je tento kanál obyčajným optickým vláknom). Hlavný rozdiel medzi pravdepodobnostnou a deterministickou teleportáciou spočíva práve v postoji k týmto stratám. Pravdepodobnostnému je jedno, koľko sa ich tam stratí - ak sa dostal aspoň jeden z milióna fotónov, tak je to dobré. V tomto zmysle je samozrejme vhodnejší na posielanie fotónov na veľké vzdialenosti ( v súčasnosti je rekord 143 kilometrov - cca. "Tapes.ru"). Na druhej strane deterministická teleportácia má horší postoj k stratám - vo všeobecnosti platí, že čím vyššie straty, tým horšia kvalita teleportácie, čiže na prijímacom konci drôtu sa získa nie celkom originálny kvantový stav - ale funguje to zakaždým, na rovinu povedané, stlačíte tlačidlo.

Zapletený stav svetla a atómov je v podstate zapletený stav ich rotácií. Ak sú rotácie, povedzme, atómu a fotónu zapletené, potom merania ich parametrov, ako hovoria fyzici, korelujú. To znamená, že ak napríklad meranie rotácie fotónu ukázalo, že smeruje nahor, potom bude rotácia atómu smerovať nadol; ak sa ukázalo, že rotácia fotónu smeruje doprava, rotácia atómu bude smerovať doľava atď. Trik je v tom, že pred meraním ani fotón, ani atóm nemajú presne stanovený smer rotácie. Ako to, že napriek tomu spolu súvisia? Tu by sa malo začať „točenie hlavy z kvantovej mechaniky“, ako povedal Niels Bohr.

Eugen Polzik

A ako sa líšia rozsahom?

Pravdepodobnosť, ako som už povedal, je vhodná na prenos dát na veľké vzdialenosti. Povedzme, že ak v budúcnosti chceme vybudovať kvantový internet, potom potrebujeme presne tento typ teleportácie. Pokiaľ ide o ten deterministický, môže byť užitočný na teleportovanie niektorých procesov.

Tu musíme okamžite objasniť: teraz neexistuje taká jasná hranica medzi týmito dvoma typmi teleportácie. Napríklad v Ruskom kvantovom centre (a nielen v ňom) sa vyvíjajú „hybridné“ systémy kvantovej komunikácie, kde sa využívajú čiastočne pravdepodobnostné a čiastočne deterministické prístupy.

V našej práci bola teleportácia procesu, viete, stroboskopická - zatiaľ nehovoríme o nepretržitej teleportácii.

Ide teda o diskrétny proces?

Áno. V skutočnosti sa štátna teleportácia, samozrejme, môže uskutočniť iba raz. Jednou z vecí, ktoré kvantová mechanika zakazuje, je klonovanie stavov. To znamená, že ak ste niečo teleportovali, potom ste to zničili.

Povedzte nám o tom, čo vaša skupina dosiahla.

Mali sme súbor atómov cézia a teleportovali sme kolektívnu rotáciu systému. Náš plyn bol pod vplyvom lasera a magnetického poľa, takže spiny atómov boli orientované približne rovnako. Nepripravený čitateľ si to môže predstaviť takto – náš tím je veľká magnetická ihla.

Šípka má neurčitosť smeru (to znamená, že spiny sú orientované "približne" rovnako), ten istý Heisenbergov. Nie je možné presne zmerať smer tejto neistoty, ale teleportovanie polohy je celkom možné. Veľkosť tejto neistoty je jedna na druhú odmocninu počtu atómov.

Tu je dôležité urobiť odbočku. Môj obľúbený systém je atómový plyn pri izbovej teplote. Problém tohto systému je tento: pri izbovej teplote sa kvantové stavy rýchlo rozpadajú. V našom prípade však tieto spinové stavy žijú veľmi dlho. A to sa podarilo vďaka spolupráci s vedcami z Petrohradu.

Vyvinuli nátery, ktoré sa vedecky nazývajú alkénové nátery. V skutočnosti je to niečo veľmi podobné parafínu. Ak takýto povlak nastriekate na vnútornú stranu sklenenej bunky plynom, molekuly plynu letia (rýchlosťou 200 metrov za sekundu) a narážajú na steny, ale s ich rotáciou sa nič nestane. Vydržia asi milión kolízií. Mám takú vizuálnu reprezentáciu tohto procesu: obal je ako celý les viniča, veľmi veľký, a aby ste si pokazili chrbát, musíte na niekoho preniesť svoju rotáciu. A tam je to všetko také veľké a prepojené, že to nemá komu odovzdať, tak tam vojde, skamaráti sa a letí späť a nič sa mu nestane. S týmito nátermi sme začali pracovať pred 10 rokmi. Teraz boli vylepšené a dokázali, že sa s nimi dá pracovať aj v kvantovej oblasti.

Takže späť k našim atómom cézia. Boli pri izbovej teplote (to je dobré aj preto, že alkénové nátery nevydržia vysoké teploty a na získanie plynu treba väčšinou niečo odpariť, teda zahriať).

Teleportovali ste rotáciu o pol metra. Je taká malá vzdialenosť zásadným obmedzením?

Samozrejme, že nie. Ako som povedal, deterministická teleportácia netrpí stratami, takže naše laserové impulzy prešli otvoreným priestorom - ak by sme ich zahnali späť do vlákna, vždy by došlo k nejakej strate. Vo všeobecnosti, ak sa tam venujete futurizmu, potom je celkom možné strieľať na satelit s rovnakým lúčom, ktorý prepošle signál na správne miesto.

Povedali ste, že máte plány na nepretržitú teleportáciu?

Áno. Len tu treba kontinuitu chápať v niekoľkých významoch. Na jednej strane máme v práci 10 12 atómov, takže diskrétnosť smeru kolektívneho spinu je taká malá, že je možné spin opísať spojitými premennými. V tomto zmysle bola naša teleportácia nepretržitá.

Na druhej strane, ak sa proces mení v čase, potom môžeme hovoriť o jeho kontinuite v čase. Takže môžem urobiť nasledovné. Tento proces má, povedzme, nejakú časovú konštantu – povedzme, že sa to deje v milisekundách, a tak som to vzal a rozdelil na mikrosekundy a „bum“ sa teleportoval po prvej mikrosekunde; potom sa musíte vrátiť do pôvodného stavu.

Každá takáto teleportácia samozrejme zničí teleportovaný stav, avšak vonkajšie vzrušenie, ktoré tento proces spôsobuje, sa nedotkne. Preto v podstate teleportujeme určitý integrál. Tento integrál môžeme „rozšíriť“ a dozvedieť sa niečo o vonkajších excitáciách. Práve sa objavil teoretický dokument, v ktorom je toto všetko navrhnuté Fyzické kontrolné listy.

V skutočnosti sa takáto teleportácia tam a späť dá použiť na veľmi hlboké veci. Niečo sa tu deje a niečo sa tu deje a pomocou teleportačného kanála môžem simulovať interakciu - ako keby tieto dve točenia, ktoré spolu nikdy neinteragovali, skutočne interagovali. To je taká kvantová simulácia.

A kvantová simulácia je to, na čo teraz všetci skáču. Namiesto rozpočítania do miliónov číslic môžete len simulovať. Pripomeňme si rovnakú vlnu D.

Dá sa v kvantových počítačoch použiť deterministická teleportácia?

Možno, ale potom bude potrebné qubity teleportovať. Tu už budú potrebné všetky druhy algoritmov na opravu chýb. A tie sa len začínajú rozvíjať.

Profesor Fyzikálnej fakulty Univerzity v Calgary (Kanada), člen kanadského inštitútu pre vyššie štúdiá Alexander Lvovsky, sa pokúsil jednoduchým spôsobom vysvetliť princípy kvantovej teleportácie a kvantovej kryptografie.

Kľúč od hradu

Kryptografia je umenie bezpečnej komunikácie cez nezabezpečený kanál. To znamená, že máte určitý riadok, ktorý sa dá počúvať, a musíte cez neho preniesť tajnú správu, ktorú nikto iný nemôže prečítať.

Predstavte si, že povedzme, ak majú Alice a Bob takzvaný tajný kľúč, konkrétne tajnú sekvenciu núl a jednotiek, ktoré nikto iný nemá, môžu pomocou tohto kľúča zašifrovať správu pomocou operácie exkluzívneho OR tak, aby sa nula zhodovala. s nulou a jedna s jednotkou. Takáto zašifrovaná správa sa už môže prenášať cez otvorený kanál. Ak to niekto zachytí, je to v poriadku, pretože to nemôže prečítať nikto, okrem Boba, ktorý má kópiu tajného kľúča.

V každej kryptografii, pri akejkoľvek komunikácii je najdrahším zdrojom náhodná postupnosť núl a jednotiek, ktorú vlastnia len dvaja komunikujúci. Vo väčšine prípadov sa však používa kryptografia s verejným kľúčom. Povedzme, že si niečo kúpite kreditnou kartou v internetovom obchode pomocou zabezpečeného protokolu HTTPS. Podľa nej váš počítač hovorí s nejakým serverom, s ktorým ešte nikdy nekomunikoval, a nemal možnosť si s týmto serverom vymeniť tajný kľúč.

Záhadu tohto dialógu poskytuje riešenie zložitého matematického problému, najmä rozklad na prvočíselné faktory. Je ľahké vynásobiť dve prvočísla, ale ak je už daná úloha nájsť ich súčin, nájsť dva faktory, potom je to ťažké. Ak je číslo dostatočne veľké, bude to vyžadovať mnoho rokov výpočtov z bežného počítača.

Ak však tento počítač nie je obyčajný, ale kvantový, takýto problém ľahko vyrieši. Keď bude konečne vynájdená, široko používaná metóda sa stane zbytočnou, čo sa očakáva, že bude pre spoločnosť katastrofou.

Ak si pamätáte, v prvej knihe o Harrym Potterovi musel hlavný hrdina prejsť bezpečnostnou kontrolou, aby sa dostal ku kameňu mudrcov. Tu je niečo podobné: pre tých, ktorí majú zriadenú ochranu, bude ľahké ju prejsť. Pre Harryho to bolo veľmi ťažké, no nakoniec to predsa len prekonal.

Tento príklad veľmi dobre ilustruje kryptografiu s verejným kľúčom. Ten, kto ho nepozná, je v princípe schopný rozlúštiť posolstvá, ale bude to pre neho veľmi ťažké a bude to potenciálne trvať mnoho rokov. Kryptografia s verejným kľúčom neposkytuje absolútnu bezpečnosť.

kvantová kryptografia

To všetko vysvetľuje potrebu kvantovej kryptografie. Dáva nám to najlepšie z oboch svetov. Existuje jednorazová metóda blokovania, spoľahlivá, ale na druhej strane vyžadujúca „drahý“ tajný kľúč. Aby Alice mohla komunikovať s Bobom, musí mu poslať kuriéra s kufrom plným diskov obsahujúcich takéto kľúče. Postupne ich spotrebuje, keďže každý sa dá použiť len raz. Na druhej strane máme metódu verejného kľúča, ktorá je síce „lacná“, no neposkytuje absolútnu bezpečnosť.

Kvantová kryptografia je na jednej strane „lacná“, umožňuje bezpečný prenos kľúča cez kanál, do ktorého sa dá nabúrať, a na druhej strane zaručuje utajenie vďaka základným fyzikálnym zákonom. Jeho významom je zakódovanie informácie v kvantovom stave jednotlivých fotónov.

V súlade s postulátmi kvantovej fyziky je kvantový stav v momente pokusu o jeho meranie zničený a zmenený. Ak je teda na linke medzi Alicou a Bobom nejaký špión, ktorý sa pokúša odpočúvať alebo nahliadnuť, nevyhnutne zmení stav fotónov, komunikanti si všimnú, že linka je odpočúvaná, zastavia komunikáciu a zakročia.

Na rozdiel od mnohých iných kvantových technológií je kvantová kryptografia komerčná, nie sci-fi. Už existujú spoločnosti, ktoré vyrábajú servery pripojené na klasickú optickú linku, cez ktorú môžete bezpečne komunikovať.

Ako funguje rozdeľovač polarizačného lúča

Svetlo je priečna elektromagnetická vlna, ktorá osciluje nie pozdĺž, ale naprieč. Táto vlastnosť sa nazýva polarizácia a je prítomná dokonca aj v jednotlivých fotónoch. Môžu byť použité na kódovanie informácií. Napríklad horizontálny fotón je nula a vertikálny fotón je jedna (to isté platí pre fotóny s polarizáciou plus 45 stupňov a mínus 45 stupňov).

Alice zakódovala informácie týmto spôsobom a Bob to musí prijať. Na to sa používa špeciálne zariadenie - polarizačný rozdeľovač lúčov, kocka pozostávajúca z dvoch k sebe zlepených hranolov. Prenáša horizontálne polarizovaný prúd a odráža vertikálne polarizovaný, vďaka čomu dochádza k dekódovaniu informácií. Ak je horizontálny fotón nula a vertikálny fotón je jedna, potom jeden detektor cvakne v prípade logickej nuly a druhý v prípade jednotky.

Čo sa však stane, ak vyšleme diagonálny fotón? Vtedy začína hrať rolu slávna kvantová nehoda. Nedá sa povedať, či takýto fotón prejde alebo sa odrazí – s 50-percentnou pravdepodobnosťou to urobí buď jedno, alebo druhé. Predvídať jeho správanie je v zásade nemožné. Navyše, táto vlastnosť je základom komerčných generátorov náhodných čísel.

Čo robiť, ak máme za úlohu rozlíšiť polarizácie plus 45 stupňov a mínus 45 stupňov? Rozdeľovač lúčov je potrebné otáčať okolo osi lúča. Potom bude zákon kvantovej náhodnosti fungovať pre fotóny s horizontálnou a vertikálnou polarizáciou. Táto vlastnosť je základná. Nemôžeme sa opýtať, akú polarizáciu má tento fotón.

Princíp kvantovej kryptografie

Aká je myšlienka kvantovej kryptografie? Predpokladajme, že Alice pošle fotón Bobovi, ktorý zakóduje buď horizontálne, vertikálne alebo diagonálne. Bob si tiež hodí mincou a náhodne sa rozhodne, či bude jeho základňa horizontálna-vertikálna alebo diagonálna. Ak sa ich metódy kódovania zhodujú, Bob dostane údaje odoslané Alicou, ak nie, potom nejaký nezmysel. Vykonajú túto operáciu tisíckrát a potom „zavolajú“ cez otvorený kanál a navzájom si povedia, na akých základniach uskutočnili prevod - môžeme predpokladať, že tieto informácie sú teraz dostupné komukoľvek. Ďalej budú môcť Bob a Alice vyradiť udalosti, v ktorých boli základne odlišné, a nechať tie, v ktorých boli rovnaké (bude ich asi polovica).

Predpokladajme, že sa do radu vkliesnil nejaký špión, ktorý chce odpočúvať správy, no zároveň potrebuje na nejakom základe merať informácie. Predstavte si, že Alice a Bob majú to isté, ale špión nie. V situácii, keď sa dáta posielali horizontálne-vertikálne a odpočúvač meral prenos diagonálne, dostane náhodnú hodnotu a pošle Bobovi nejaký ľubovoľný fotón, keďže nevie, čo by to malo byť. Takže jeho zasahovanie bude zaznamenané.

Najväčším problémom v kvantovej kryptografii je strata. Dokonca aj to najlepšie a najmodernejšie vlákno dáva 50 percent straty na každých 10-12 kilometrov kábla. Povedzme, že pošleme náš tajný kľúč z Moskvy do Petrohradu – na 750 kilometrov a z miliardy fotónov dosiahne cieľ len jeden. To všetko robí technológiu úplne nepraktickou. Preto moderná kvantová kryptografia funguje len na vzdialenosť asi 100 kilometrov. Teoreticky je známe, ako tento problém vyriešiť – pomocou kvantových opakovačov, no ich realizácia si vyžaduje kvantovú teleportáciu.

kvantové zapletenie

Vedecká definícia kvantového zapletenia je delokalizovaný stav superpozície. Znie to komplikovane, ale dá sa uviesť jednoduchý príklad. Predpokladajme, že máme dva fotóny: horizontálny a vertikálny, ktorých kvantové stavy sú vzájomne závislé. Jednu z nich posielame Alici a druhú Bobovi, ktorí robia merania na rozdeľovači polarizačného lúča.

Keď sa tieto merania uskutočnia na obvyklom horizontálno-vertikálnom základe, je jasné, že výsledok bude korelovaný. Ak si Alice všimla horizontálny fotón, potom druhý bude samozrejme vertikálny a naopak. Dá sa to predstaviť aj jednoduchšie: máme modrú a červenú guľu, každú bez pozerania zalepíme do obálky a pošleme dvom adresátom – ak jeden dostane červenú, druhý určite dostane modrú.

Ale v prípade kvantového zapletenia sa záležitosť neobmedzuje len na toto. Táto korelácia prebieha nielen v horizontálno-vertikálnom základe, ale aj v akomkoľvek inom. Napríklad, ak Alice a Bob otočia svoje rozdeľovače lúčov o 45 stupňov v rovnakom čase, opäť budú dokonale zodpovedať.

Ide o veľmi zvláštny kvantový jav. Povedzme, že Alice nejako otočila svoj rozdeľovač lúčov a našla nejaký fotón s polarizáciou α, ktorý ním prešiel. Ak Bob zmeria svoj fotón na rovnakom základe, nájde polarizáciu 90 stupňov +α.

Takže na začiatku máme stav zapletenia: Alicin fotón je úplne nedefinovaný a Bobov fotón je úplne nedefinovaný. Keď Alice zmerala svoj fotón, našla nejakú hodnotu, teraz presne vieme, ktorý fotón Bob má, bez ohľadu na to, ako ďaleko je. Tento efekt bol opakovane potvrdený experimentmi, nejde o žiadnu fantáziu.

Predpokladajme, že Alice má určitý fotón s polarizáciou α, ktorý ešte nepozná, teda v neznámom stave. Medzi ňou a Bobom neexistuje žiadny priamy kanál. Ak by existoval kanál, Alice by bola schopná zaregistrovať stav fotónu a odovzdať túto informáciu Bobovi. Ale nie je možné poznať kvantový stav v jednom meraní, takže táto metóda nie je vhodná. Medzi Alicou a Bobom je však vopred pripravený zapletený pár fotónov. Vďaka tomu je možné prinútiť Bobov fotón prevziať počiatočný stav fotónu Alice, „zatelefonovaný“ neskôr na podmienenej telefónnej linke.

Tu je klasický (aj keď veľmi vzdialený analóg) toho všetkého. Alice a Bob dostanú v obálke červený alebo modrý balón. Alice chce poslať Bobovi informácie o tom, čo má. Aby to urobila, potrebuje po „telefonovaní“ Bobovi porovnať loptičky a povedať mu „Mám rovnakú“ alebo „Máme iné“. Ak niekto tento riadok odpočúva, nepomôže mu rozoznať ich farbu.

Existujú teda štyri možnosti výsledku udalostí (podmienečne majú príjemcovia modré balóny, červené balóny, červené a modré alebo modré a červené). Sú zaujímavé, pretože tvoria základ. Ak máme dva fotóny s neznámou polarizáciou, môžeme im „položiť otázku“, v ktorom z týchto stavov sa nachádzajú, a dostať odpoveď. Ale ak je aspoň jeden z nich zapletený s nejakým iným fotónom, potom sa prejaví efekt vzdialenej prípravy a tretí, vzdialený fotón sa „pripraví“ v určitom stave. Na tom je založená kvantová teleportácia.

Ako to celé funguje? Máme zamotaný stav a fotón, ktorý chceme teleportovať. Alice musí urobiť vhodné meranie pôvodného teleportovaného fotónu a opýtať sa, v akom stave je ten druhý. Náhodne dostane jednu zo štyroch možných odpovedí. V dôsledku efektu varenia na diaľku sa ukazuje, že po tomto meraní v závislosti od výsledku Bobov fotón prešiel do určitého stavu. Predtým bol zapletený s Aliciným fotónom a bol v neurčitom stave.

Alice hovorí Bobovi do telefónu, aké boli jej miery. Ak sa jeho výsledok, povedzme, ukázal ako ψ-, potom Bob vie, že jeho fotón sa automaticky pretransformoval do tohto stavu. Ak Alice oznámila, že jej meranie poskytlo výsledok ψ+, potom Bobov fotón prevzal polarizáciu -α. Na konci teleportačného experimentu má Bob kópiu pôvodného fotónu Alice a jej fotón a informácie o ňom sú pri tom zničené.

teleportačná technológia

Teraz sme schopní teleportovať polarizáciu fotónov a niektoré stavy atómov. Ale keď píšu, hovoria, vedci sa naučili, ako teleportovať atómy - to je podvod, pretože atómy majú veľa kvantových stavov, nekonečnú množinu. V najlepšom prípade sme prišli na to, ako ich pár teleportovať.

Moja obľúbená otázka je, kedy sa uskutoční teleportácia ľudí? Odpoveď je nikdy. Povedzme, že máme kapitána Picarda zo série Star Trek, ktorého treba teleportovať na povrch planéty z lode. Aby sme to urobili, ako už vieme, musíme urobiť niekoľko ďalších rovnakých Picardov, uviesť ich do zmäteného stavu, ktorý zahŕňa všetky jeho možné stavy (triezvy, opitý, spánok, fajčenie - úplne všetko) a vykonať merania na oboje. Je jasné, aké je to ťažké a nereálne.

Kvantová teleportácia je zaujímavý, no laboratórny jav. K teleportácii živých bytostí nepríde (aspoň v blízkej budúcnosti). V praxi sa však dá použiť na vytvorenie kvantových opakovačov na prenos informácií na veľké vzdialenosti.