Квантовая телепортация – одно из наиболее интересных и парадоксальных проявлений квантовой природы материи, вызывающее в последние годы огромный интерес специалистов и широкой публики. Термин телепортация взят из научной фантастики, однако в настоящее время широко используется в научной литературе. Квантовая телепортация означает мгновенный перенос квантового состояния из одной точки пространства в другую, удаленную на большое расстояние.
ЭПР-парадокс
В период активного развития квантовой теории, в 1935 году, в знаменитой работе Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена «Может ли квантово-механическое описание реальности быть полным?» был сформулирован так называемый ЭПР-парадокс (парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена).
В основе парадоксе лежит вопрос о том, может ли Вселенная быть разложена на отдельно существующие «элементы реальности» так, что каждый из этих элементов имеет своё математическое описание.
Авторы показали, что из квантовой теории следует: если есть две частицы A и B с общим прошлым (разлетевшиеся после столкновения или образовавшиеся при распаде некоторой частицы), то состояние частицы B зависит от состояния частицы A и эта зависимость должна проявляться мгновенно и на любом расстоянии. Такие частицы называют ЭПР-парой и говорят, что они находятся в «запутанном» состоянии.
В 1980 году Алан Аспект экспериментально показал, что в квантовом мире ЭПР-парадокс действительно имеет место. Специальные измерения состояния ЭПР-частиц A и B показали, что ЭПР-пара не просто связана общим прошлым, но частица B каким-то образом мгновенно «узнает» о том, как была измерена частица A (какую ее характеристику измеряли) и какой получился результат.
В 1993 году Чарльз Беннет и его коллеги придумали, как можно использовать замечательные свойства ЭПР-пар: они изобрели способ переноса квантового состояния объекта на другой квантовый объект с помощью ЭПР-пары и назвали этот способ квантовой телепортацией. А в 1997 году группа экспериментаторов под руководством Антона Цайлингера впервые осуществила квантовую телепортацию состояния фотона.
Экспериментальное подтверждение квантовой телепортации
Явление квантовой телепортации - передачи квантовой информации (например, направления спина частицы или поляризации фотона) на расстояние от одного носителя другому - уже наблюдалось на практике в случае двух фотонов, фотонов и группы атомов, а также двух атомов, посредником между которыми служил третий. Однако ни один из предложенных способов не годился для практического использования.
Наиболее реалистичной и легко реализуемой на этом фоне выглядит схема, предложенная специалистами из Университета Мэриленда (США) в 2008 году. Под руководством Кристофера Монро ученым удалось осуществить перемещение квантовой информации между двумя заряженными частицами (ионами иттербия), расположенными в метре друг от друга, причем показатель надежности доставки превысил 90 процентов. Каждый из них поместили в вакуум и удерживали на месте с помощью электрического поля. Затем с помощью сверхбыстрого лазерного импульса их заставили одновременно испустить фотоны, благодаря взаимодействию которых частицы вступили в состояние так называемой квантовой запутанности, и «атом В приобрел свойства атома А, несмотря на то, что они находились в разных камерах на расстоянии метра друг от друга».
«На основе нашей системы можно сконструировать крупномасштабный "квантовый повторитель", который будет использоваться для передачи информации на большие расстояния», - подытожил полученные результаты Кристофер Монро.
Наземная оптическая станция
Европейского космического агентства
на о. Тенерифе – место приема сигнала
В 2012 году ученые-физики из Венского университета и Австрийской академии наук успешно осуществили квантовую телепортацию на рекордное расстояние в 143 км - между двумя островами Канарского архипелага - Ла Пальма и Тенерифе. Предыдущий рекорд был поставлен за несколько месяцев до этого китайскими учеными, осуществившими телепортацию квантового состояния на 97 км. Специалисты уверены, что данные эксперименты позволят создать в будущем сеть спутниковой квантовой связи.
Эксперимент, проведенный международной командой ученых под руководством австрийского физика Антона Цайлингера, закладывает фундамент для всемирной информационной сети, в которой квантово-механические эффекты используются для того, чтобы сделать обмен сообщениями более безопасным, и обеспечить намного более эффективное выполнение некоторых типов вычислений. В этом «квантовом интернете» квантовая телепортация станет ключевым протоколом связи между квантовыми компьютерами.
В этом эксперименте квантовые состояния - но не материя или энергия – передаются на расстояние, которое, в принципе, может быть сколь угодно большим. Процесс может работать даже в том случае, если местоположение получателя неизвестно. Квантовая телепортация может использоваться как для передачи сообщений, так и для выполнения операций квантовыми компьютерами. Для реализации подобных задач необходимо обеспечить надежный способ передачи фотонов на большие дистанции, при котором их хрупкое квантовое состояние будет оставаться неизменным.
Перспективы применения квантовой телепортации
В различных странах обсуждаются программы по применению эффекта квантовой телепортации для создания квантовых оптических компьютеров, где носителями информации будут фотоны. Первые электронные компьютеры потребляли десятки киловатт энергии. Скорость работы квантовых компьютеров и объемы информации будут на десятки порядков превосходить таковые у существующих компьютеров. В будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети. Кстати, квантовые вирусы будут гораздо опаснее нынешних сетевых, так как после своей телепортации они смогут существовать вне компьютера. Квантовые компьютеры будут реализовывать «холодные» вычисления, работая практически без затрат энергии. Ведь трение, ведущее к бесполезному расходованию энергии, – понятие макроскопическое. В квантовом мире главный вредитель – шум, исходящий из некоррелированного взаимодействия объектов друг с другом.
К настоящему времени квантовая информатика обрела все признаки точной науки, включая систему определений, постулатов и строгих теорем. К числу последних относится, в частности, теорема о невозможности клонирования кубита*, строго доказанная с применением теории унитарного оператора квантовой эволюции. То есть невозможно, получив полную информацию о квантовом объекте A (изначально его состояние неизвестно), создать второй, точно такой же, объект, не разрушив первый. Дело в том, что создание двух кубитов – абсолютных копий друг друга – приводит к противоречию, которое можно было бы назвать парадоксом квантовых близнецов. Однако и без того ясно, что создание двух электронов в одном и том же квантовом состоянии невозможно в силу ограничения, накладываемого принципом Паули. Парадокс близнецов не возникает, если при клонировании снабжать копии отличительными признаками: пространственно-временными, фазовыми и др. Тогда генерацию лазерного излучения можно понимать как процесс клонирования фотона-затравки, попавшего в среду с оптическим усилением. Если же к квантовому копированию подходить строго, то рождение клона должно сопровождаться уничтожением оригинала. А это и есть телепортация.
______________________
* Кубит - «квантовый бит», единица квантовой информации, в которой хранится не дискретное состояние «0» или «1», а их суперпозиция - наложение состояний, которые с классической точки зрения не могут быть реализованы одновременно.
О квантовой природе человека
Человек – это не только то, что мы видим, а несравненно большее – то, что слышим, чувствуем, ощущаем. Все тело человека пронизано квантовой энергией, составляющей интеллектуальную сеть, коллективный разум не только мозга, но и остальных пятидесяти триллионов клеток организма, мгновенно реагирующая на малейшие проявления мыслей и эмоций, дающая возможность постоянным изменениям тонких вибраций.
Физика говорит, что основная ткань природы находится на квантовом уровне, гораздо глубже уровня атомов и молекул, это фундамент строительства. Квант – основная единица материи или энергии, в десятки миллионов раз меньше самого маленького атома. На этом уровне материя и энергия становятся равнозначными. Все кванты состоят из невидимых колебаний флуктуаций света – призраков энергии, – готовых принять физическую форму.
Человеческое тело – это вначале интенсивные, но невидимые колебания, называемые квантовыми флуктуациями, а уж потом объединенные в импульсы энергии и частицы материи. Квантовое тело является фундаментальной основой всего, из чего мы состоим: мыслей, эмоций, протеинов, клеток, органов, – в общем, всех видимых и невидимых компонентов.
На квантовом уровне тело посылает всевозможные виды невидимых сигналов, ожидая, что мы их примем. Все процессы и органы в нашем теле имеют свой квантовый эквивалент. Наше сознание способно обнаружить тонкие вибрации благодаря невероятной чувствительности своей нервной системы, которая принимает, передает и затем усиливает их таким образом, что наши органы чувств начинают воспринимать эти сигналы. И мы относим все это к интуиции.
Мы все склонны рассматривать свои тела как застывшие скульптуры – жесткие, неподвижные материальные объекты – в это время как на самом деле они более похожи на реки, постоянно меняющие рисунок нашего интеллекта. Каждый год 98 % атомов вашего организма заменяются новыми. Этот поток изменений контролируется на квантовом уровне системой тело – сознание.
На квантовом уровне ни одна часть тела не живет в отрыве от остальных. Когда человек счастлив, химические вещества, выделяемые мозгом, «путешествуют» по всему телу, сообщая каждой клеточке об ощущении счастья. Дурное настроение также передается химическим путем каждой клеточке, ослабляя деятельность иммунной системы. Все что мы думаем и делаем, возникает сначала в глубинах квантового тела, а затем всплывает на поверхность жизни.
Человек может научить свое сознание управлять собой на этом тонком уровне; по существу, то, что он называет мыслями и эмоциями, является лишь выражением этих квантовых флуктуаций. Мысль человеческая – это своего рода акт квантовой телепортации, посылка квантового пакета от одного объекта другому объекту, находящемуся на произвольном расстоянии. Такая передача информации возможна за счет эффекта «запутывания», где два объекта «знают» о существовании друг друга. Мысль, как только получает ориентир, отправляется в путь к объекту исследования и может определить его любой параметр и состояние, и уже в голове на экране флюидного зрения мгновенно отображает показатели работы исследуемого, а мозг оценивает и распознает, вынося свои суждения.
«Телепортация» мысли в окружающее пространство
В своей книге «Квантовая магия» С.И. Доронин проводит интересную аналогию между исследованиями в области квантовой телепортации и особенностями человеческой психики, имеющей квантовую природу. В частности, он отмечает:
«... при построении квантового коммутатора предполагается наличие определенного числа (N) пользователей и центрального коммутатора, с которым все они соединены квантовым каналом связи. Принципиальную схему работы такого коммутатора можно объяснить следующим образом. Пусть у каждого пользователя есть (в простейшем случае) одна максимально запутанная пара. Они отдают одну частицу из своей пары на центральный коммутатор, в котором происходит их объединение. В этом случае все оставшиеся у пользователей частицы оказываются квантово-запутанными. Все N частиц, которые по-прежнему у них остаются, становятся квантово-коррелированными, то есть все пользователи объединены квантовыми корреляциями, они как бы «включены» в единую квантовую сеть и могут «телепатически» общаться друг с другом.
Квантовый коммутатор, описанный выше, можно считать простейшей физической моделью, иллюстрирующий работу эгрегоров (эзотерический термин) и демонов (в религиозной традиции). Когда мы отдаем «в общее пользование» свои мысли и эмоции, то тем самым оказываемся «включенными» в различные «квантовые коммутаторы» в соответствии с направленностью своих мыслей и чувств. Чтобы эгрегор (демон) «заработал» в качестве квантового коммутатора и начал свое существование как объективный элемент реальности («энергетический сгусток» в квантовом ореоле Земли), достаточно того, чтобы «психические выделения» у нескольких человек были одинаковы (или близки). В целом, чтобы между различными системами было взаимодействие, они должны иметь одинаковые состояния. Тогда переходы между этими состояниями и, как следствие, генерация и поглощение энергии будут приводить к взаимодействию и корреляциям. Одинаковые энергии будут способны к взаимодействию. Причем чем меньше разность энергии между уровнями, чем слабее классические взаимодействия, тем больше в этом случае относительная величина квантовых корреляций. Например, мы все имеем примерно одинаковые наборы базисных эмоциональных и ментальных состояний, поэтому однонаправленные мысли и эмоции (то есть переход нескольких людей в определенное ментальное или эмоциональное состояние) автоматически ведут к генерации близких энергетических потоков и к взаимодействию на этих уровнях. Другими словами – к образованию новых или подпитке уже существующих «квантовых коммутаторов» – эгрегоров (демонов). Эмоции при этом содержат больше энергии, но меньше квантовой информации, мысли – наоборот, меньше энергии, но больше квантовой информации (мера запутанности выше).
Индивидуальное сознание должно уметь целенаправленно оперировать в том пространстве состояний, до которого оно добралось (изменять вектор состояния на достигнутом уровне). Умение изменять весь вектор состояния на каком-то уровне реальности дает возможность менять ее на всех более низких (плотных) уровнях. Практически это означает, что сознание умеет нужным образом перераспределять энергию, управляя энергетическими потоками. Замечу, что изменение состояния – это и есть изменение энергии, поскольку в квантовой механике она является функцией состояния».
По материалам Интернет-изданий
Российский и чешско-словацкий физики предложили метод сохранения квантовой запутанности фотонов при прохождении усилителя или передаче на большое расстояние.
Квантовая запутанность или сцепленность частиц – явление связи их квантовых характеристик. Она может возникать при рождении частиц в одном событии или их взаимодействии. Эта связь может сохраняться, даже если частицы расходятся на большое расстояние, что позволяет передавать с их помощью информацию. Дело в том, что если измерить квантовые характеристики одной из связанных частиц, то автоматически становятся известны и характеристики второй. Эффект не имеет аналогов в классической физике. Он был экспериментально доказан в 1970 – 80-х годах, и его активно изучают в последние несколько десятилетий. В перспективе он может стать основой целого ряда информационных технологий будущего.
Забавную житейскую аналогию этого явления придумал один из его исследователей, физик-теоретик Джон Белл. Его коллега Рейнгольд Бертлман страдал рассеянностью и часто приходил на работу в носках разного цвета. Предсказать эти цвета было невозможно, но Белл шутил, что достаточно увидеть розовый носок на левой ноге Бертлмана, чтобы сделать вывод, что на правой ноге у него носок другого цвета, даже не видя его.
Одна из проблем практического использования явления квантовой запутанности заключается в нарушении связи при взаимодействии частиц с окружающим миром. Такое может произойти при усилении сигнала или при его передаче на большое расстояние. Эти два фактора могут действовать и вместе, поскольку для передачи сигнала на большое расстояние его надо усиливать. Поэтому фотоны после прохождения через многие километры оптоволокна в большинстве случаев перестают быть квантово запутанными и превращаются в обычные, не связанные между собой кванты света. Чтобы избежать разрушения связи в экспериментах по квантовым вычислениям, приходится использовать охлаждение до близких к абсолютному нулю температур.
Физики Сергей Филиппов (МФТИ и Российский квантовый центр в Сколково) и Марио Зиман (Масариков университет в Брно, Чехия, и Физический институт в Братиславе, Словакия) нашли способ сохранить квантовую запутанность фотонов при прохождении через усилитель или, напротив, при передаче на большое расстояние. Подробности опубликованы в статье (см. также препринт) для журнала Physical Review A.
Суть их предложения заключается в том, что для передачи сигналов определенного вида необходимо, чтобы «волновая функция частиц в координатном представлении не должна иметь вид гауссова волнового пакета». В этом случае вероятность разрушения квантовой запутанности становится намного ниже.
Волновая функция – одно из базовых понятий квантовой механики. Она используется для описания состояния квантовой системы. В частности, явление квантовой запутанности описывается на основе представлений об общем состоянии связанных частиц с определенной волновой функцией. В соответствии с копенгагенской интерпретацией квантовой механики физический смысл волновой функции квантового объекта в координатном представлении заключается в том, что квадрат ее модуля определяет вероятность обнаружить объект в данной точке. С ее помощью можно также получить информацию об импульсе, энергии или еще какой-либо физической величине объекта.
Гауссова функция - одна из важнейших математических функций, нашедшая применение не только в физике, но и во многих других науках вплоть до социологии и экономики, имеющих дело с вероятностными событиями и использующих статистические методы. Очень многие процессы в природе приводят к этой функции при математической обработке результатов наблюдений. Ее график выглядит как колоколообразная кривая.
Обычные фотоны, которые используются сейчас в большинстве экспериментов по квантовому запутыванию, тоже описываются гауссовой функцией: вероятность найти фотон в той или иной точке в зависимости от координат точки имеет колоколообразный гауссов вид. Как показали авторы работы, в этом случае переслать запутанность далеко не получится, даже если сигнал очень мощный.
Использование фотонов, волновая функция которых имеет иную, негауссову, форму, должна существенно повысить число доходящих до адресата запутанных фотонных пар. Однако это не означает, что сигнал можно будет передать через сколь угодно непрозрачную среду или на сколь угодно большое расстояние, – если соотношение сигнал/шум падает ниже некоторого критического порога, то эффект квантовой запутанности исчезает в любом случае.
Физики уже научились создавать запутанные фотоны, разнесенные на несколько сотен километров, и нашли им несколько очень перспективных применений. Например, для создания квантового компьютера. Это направление представляется многообещающим благодаря высокому быстродействию и низкому энергопотреблению фотонных устройств.
Другое направление – квантовая криптография, позволяющая создать линии связи, в которых всегда можно обнаружить «прослушивание». Она основана на том, что любое наблюдение за объектом есть воздействие на него. А воздействие на квантовый объект всегда меняет его состояние. Это означает, что попытка перехватить сообщение должна привести к разрушению спутанности, о чем сразу станет известно получателю.
Кроме того, квантовая запутанность позволяет реализовать так называемую квантовую телепортацию. Ее не надо путать с телепортацией (переносом в пространстве) предметов и людей из фантастических фильмов. В случае квантовой телепортации на расстояние передается не сам объект, а информация о его квантовом состоянии. Все дело в том, что все квантовые объекты (фотоны, элементарные частицы), а вместе с ними и атомы одного вида являются абсолютно одинаковыми. Поэтому, если атом в точке приема приобретает квантовое состояние, идентичное атому в точке передачи, то это эквивалентно созданию копии атома в точке приема. Если бы существовала возможность переноса квантового состояния всех атомов предмета, то в месте приема возникла бы его идеальная копия. С целью передачи информации можно телепортировать кубиты – наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере.
По материалам сайта МФТИ
Квантовая телепортация - это телепортирование не физических объектов, не энергии, а состояния. Но в данном случае состояния передаются таким образом, каким в классическом представлении это сделать невозможно. Как правило, для передачи информации о каком-то объекте требуется большое количество всесторонних измерений. Но они разрушают квантовое состояние, и у нас нет возможности повторно его измерить. Квантовая телепортация используется для того, чтобы передать, перенести некое состояние, обладая минимальной информацией о нем, не «заглядывая» в него, не измеряя и тем самым не нарушая.
Кубиты
Кубит - это и есть состояние, которое передается при квантовой телепортации. Квантовый бит находится в суперпозиции двух состояний. Классическое состояние находится, например, либо в состоянии 0, либо в состоянии 1. Квантовое находится в суперпозиции, и, что очень важно, пока мы его не измерим, оно не будет определено. Представим себе, что у нас был кубит на 30% - 0 и на 70% - 1. Если мы его измерим, мы можем получить как 0, так и 1. За одно измерение нельзя ничего сказать. Но если приготовить 100, 1000 таких одинаковых состояний и раз за разом их измерять, мы можем достаточно точно охарактеризовать это состояние и понять, что действительно там было 30% - 0 и 70% - 1.Это пример получения информации классическим способом. Получив большое количество данных, адресат может воссоздать это состояние. Однако квантовая механика позволяет не готовить много состояний. Представим себе, что оно у нас есть только одно, уникальное, а второго такого нет. Тогда в классике передать его уже не получится. Физически, напрямую, это тоже не всегда возможно. А в квантовой механике мы можем использовать эффект запутанности.
Мы также используем явление квантовой нелокальности, то есть явление, которое невозможно в привычном для нас мире, для того чтобы здесь это состояние исчезло, а там появилось. Причем самое интересное, что применительно к тем же квантовым объектам существует теорема о неклонировании. То есть невозможно создать второе идентичное состояние. Надо уничтожить одно, чтобы появилось другое.
Квантовая запутанность
Что такое эффект запутанности? Это особым образом приготовленные два состояния, два квантовых объекта - кубита. Для простоты можно взять фотоны. Если эти фотоны разнести на большое расстояние, они будут коррелировать между собой. Что это значит? Представим себе, что у нас один фотон синий, а другой зеленый. Если мы их разнесли, посмотрели и у меня оказался синий, значит, у вас оказался зеленый, и наоборот. Или если взять коробку обуви, где есть правый и левый ботинок, незаметно их вытащить и в мешке отнести один ботинок вам, другой мне. Вот я открыл мешок, смотрю: у меня правый. Значит, у вас точно левый.Квантовый случай отличается тем, что состояние, которое пришло ко мне до измерения, не синее и не зеленое - оно в суперпозиции синего и зеленого. После того как вы разделили ботинки, результат уже предопределен. Пока мешки несут, пока их еще не открыли, но уже точно понятно, что там будет. А пока квантовые объекты не измерены, еще ничего не решилось.
Если взять не цвет, а поляризацию, то есть направление колебаний электрического поля, можно выделить два варианта: вертикальная и горизонтальная поляризация и +45° - -45°. Если сложить вместе в равной пропорции горизонтальную и вертикальную, то получится +45°, если вычесть одну из другой, то -45°. Теперь представим, что точно так же один фотон попал ко мне, а другой к вам. Я посмотрел: он вертикальный. Значит, у вас горизонтальный. Теперь представим, что я увидел вертикальный, а вы посмотрели его в диагональном базисе, то есть посмотрели - он +45° или -45°, вы увидите с равной вероятностью тот ли иной исход. Но если я посмотрел в диагональном базисе и увидел +45°, то точно знаю, что у вас -45°.
Парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена
Квантовая запутанность связана с фундаментальными свойствами квантовой механики и так называемым парадоксом Эйнштейна - Подольского - Розена. Эйнштейн так долго протестовал против квантовой механики, потому что считал, что природа не может со скоростью, большей скорости света, передавать информацию о состоянии. Мы же можем разнести фотоны очень далеко, например на световой год, а открывать одновременно. И мы все равно увидим эту корреляцию.Но на самом деле теорию относительности это не нарушает, потому что информацию с помощью этого эффекта мы передать все равно не можем. Измеряется либо вертикальный, либо горизонтальный фотон. Но неизвестно заранее, какой именно он будет. Несмотря на то что нельзя передавать информацию быстрей скорости света, запутанность позволяет реализовать протокол квантовой телепортации. В чем он заключается? Рождается запутанная пара фотонов. Одна направляется к передатчику, другая - к приемнику. Передатчик производит совместное измерение целевого фотона, который он должен передать. И с вероятностью ¼ он получит результат OK. Он может сообщить об этом получателю, и получатель в этот момент узнает, что у него точно такое же состояние, как было у передатчика. А с вероятностью ¾ он получает другой результат - не то чтобы неуспешное измерение, а просто другой результат. Но в любом случае это полезная информация, которую можно передать получателю. Получатель в трех из четырех случаев должен произвести дополнительный поворот своего кубита, чтобы получить передаваемое состояние. То есть передается 2 бита информации, и при помощи них можно телепортировать сложное состояние, которое ими закодировать нельзя.
Квантовая криптография
Одна из главных сфер применения квантовой телепортации - это так называемая квантовая криптография. Идея этой технологии заключается в том, что одиночный фотон невозможно клонировать. Следовательно, мы можем передавать информацию в этом одиночном фотоне, и никто не сможет ее продублировать. Более того, при любой попытке кем-то узнать что-то об этой информации состояние фотона изменится или разрушится. Соответственно, любая попытка получить эту информацию посторонним будет замечена. Это можно использовать в криптографии, в защите информации. Правда, передается не полезная информация, а ключ, которым потом уже классически возможно абсолютно надежно передавать информацию.У этой технологии есть один большой недостаток. Дело в том, что, как мы уже раньше говорили, создать копию фотона невозможно. Обычный сигнал в оптоволокне можно усилить. Для квантового случая усилить сигнал невозможно, так как усиление будет эквивалентно некоторому перехватчику. В реальной жизни, в реальных линиях передача ограничена расстоянием приблизительно до 100 километров. В 2016 году Российским квантовым центром была проведена демонстрация на линиях Газпромбанка, где показали квантовую криптографию на 30 километрах волокна в городских условиях.
В лаборатории мы способны показывать квантовую телепортацию на расстоянии до 327 километров. Но, к сожалению, большие расстояния непрактичны, потому что фотоны теряются в волокне и скорость получается очень низкая. Что делать? Можно поставить промежуточный сервер, который будет получать информацию, расшифровывать, потом снова зашифровывать и передавать дальше. Так делают, например, китайцы при строительстве своей сети квантовой криптографии. Такой же подход используют и американцы.
Квантовая телепортация в данном случае - это новый метод, который позволяет решить задачу квантовой криптографии и увеличить расстояние до тысяч километров. И в этом случае тот самый фотон, который передается, многократно телепортируется. Над этой задачей работает множество групп во всем мире.
Квантовая память
Представим себе цепочку телепортаций. В каждом из звеньев есть генератор запутанных пар, который должен их создавать и распределять. Это не всегда удачно происходит. Иногда нужно ждать, пока успешно произойдет очередная попытка распределения пар. И у кубита должно быть какое-то место, где он подождет телепортации. Это и есть квантовая память.В квантовой криптографии это своего рода промежуточная станция. Называются такие станции квантовыми повторителями, и они сейчас являются одним из основных направлений для исследований и экспериментов. Это популярная тема, в начале 2010-х повторители были очень отдаленной перспективой, но сейчас задача выглядит реализуемой. Во многом потому, что техника постоянно развивается, в том числе за счет телекоммуникационных стандартов.
Ход эксперимента в лаборатории
Если вы придете в лабораторию квантовых коммуникаций, то вы увидите много электроники и волоконную оптику. Вся оптика стандартная, телекоммуникационная, лазеры в маленьких стандартных коробочках - чипах. Если вы зайдете в лабораторию Александра Львовского , где, в частности, делают телепортацию, то вы увидите оптический стол, который стабилизирован на пневмоопорах. То есть если этот стол, который весит тонну, потрогать пальцем, то он начнет плавать, покачиваться. Это сделано по причине того, что техника, которая реализует квантовые протоколы, очень чувствительна. Если вы поставите на жесткие ножки и будете ходить вокруг, то это все будет по колебаниям стола. То есть это открытая оптика, достаточно большие дорогие лазеры. В целом это достаточно громоздкое оборудование.Исходное состояние готовится лазером. Для подготовки запутанных состояний используется нелинейный кристалл, который накачивается импульсным или непрерывным лазером. За счет нелинейных эффектов рождаются пары фотонов. Представим себе, что у нас есть фотон энергии два - ℏ(2ω), он преобразуется в два фотона энергии один - ℏω+ ℏω. Эти фотоны рождаются только вместе, не может сначала отделиться один фотон, потом другой. И они связаны (запутаны) и проявляют неклассические корреляции.
История и актуальные исследования
Итак, в случае квантовой телепортации наблюдается эффект, который в ежедневной жизни мы наблюдать не можем. Но зато был очень красивый, фантастический образ, который как нельзя кстати подходил для описания этого явления, поэтому и назвали так - квантовая телепортация. Как уже было сказано, нет момента времени, когда здесь кубит еще существует, а там он уже появился. То есть сначала здесь уничтожено, а только потом там появляется. Это и есть та самая телепортация.Квантовая телепортация была предложена теоретически в 1993 году группой американских ученых под руководством Чарльза Беннета - тогда и появился этот термин. Первая экспериментальная реализация была проведена в 1997 году сразу двумя группами физиков в Инсбруке и Риме. Постепенно ученым удавалось передавать состояния на все большее расстояние - от одного метра до сотен километров и более.
Сейчас люди пытаются делать эксперименты, которые, возможно, в будущем станут основой для квантовых повторителей. Ожидается, что спустя 5–10 лет мы увидим реальные квантовые повторители. Развивается и направление передачи состояния между объектами разной природы, в том числе в мае 2016 года была проведена гибридная квантовая телепортация в Квантовом центре, в лаборатории Александра Львовского. Теория тоже не стоит на месте. В том же Квантовом центре под руководством Алексея Федорова разрабатывается протокол телепортации уже не в одну сторону, а двунаправленный, чтобы с помощью одной пары сразу одновременно навстречу друг другу телепортировать состояния.
В рамках нашей работы над квантовой криптографией создается квантовое устройство распределения и ключа, то есть мы генерируем ключ, который невозможно перехватить. А дальше уже пользователь может зашифровать этим ключом информацию, используя так называемый одноразовый блокнот. Новые преимущества квантовых технологий должны раскрыться в ближайшее десятилетие. Развивается создание квантовых сенсоров. Их суть в том, что за счет квантовых эффектов мы можем гораздо точнее измерять, например, магнитное поле, температуру. То есть берутся так называемые NV-центры в алмазах - это крошечные алмазы, в них есть азотные дефекты, которые ведут себя квантовые объекты. Они очень похожи на замороженный одиночный атом. Смотря на этот дефект, можно наблюдать изменения температуры, причем и внутри одиночной клетки. То есть измерить не просто температуру под мышкой, а температуру органеллы внутри клетки.
В Российском квантовом центре также есть проект спинового диода. Идея такова, что мы можем взять антенну и начать очень эффективно собирать энергию из фоновых радиоволн. Достаточно вспомнить, сколько Wi-Fi-источников сейчас в городах, чтобы понять, что энергии радиоволн вокруг очень много. Ее можно использовать для носимых датчиков (например, для датчика уровня сахара в крови). Для них нужна постоянная энергетическая подпитка: либо батарейка, либо такая система, которая собирает энергию, в том числе от мобильного телефона. То есть, с одной стороны, эти задачи можно решать с существующей элементной базой с определенным качеством, а с другой стороны, можно применить квантовые технологии и решить эту задачу еще лучше, еще более миниатюрно.
Квантовая механика очень сильно изменила человеческую жизнь. Полупроводники, атомная бомба, атомная энергетика - это все объекты, работающие благодаря ей. Весь мир сейчас бьется над тем, чтобы начать управлять квантовыми свойствами одиночных частиц, в том числе запутанных. Например, в телепортации участвуют три частицы: одна пара и целевая. Но каждая из них управляется отдельно. Индивидуальное управление элементарными частицами открывает новые горизонты для техники, в том числе квантовый компьютер.
Юрий Курочкин , кандидат физико-математических наук, глава лаборатории квантовых коммуникаций Российского квантового центра.
Теги:
Добавить меткиКвантовый мир очень далек от нашего, поэтому его законы часто кажутся нам странными и контринтуитивными. Однако важные новости из квантовой физики приходят , так что иметь о них правильное представление сейчас необходимо - иначе работа физиков в наших глазах превращается из науки в магию и обрастает мифами. Яркий пример - квантовая телепортация , вокруг которой накопилось столько недопонимания, что даже научные журналисты обычно не могут описать такие эксперименты корректно. С объяснения того, что такое квантовая телепортация на самом деле, а чем она не является, мы начинаем серию материалов, подготовленных в сотрудничестве с Российским квантовым центром. Сегодня на наши вопросы отвечает Александр Львовский , сотрудник РКЦ и профессор Университета Калгари.
Что такое квантовая телепортация, кто ее придумал, как выглядит самый первый и простой подобный эксперимент?
Квантовая телепортаци - это когда квантовое состояние некоторого физического объекта (например, фотона) передается на идентичный объект, находящийся в другом месте, без использования прямого переноса квантовой частицы.
Идея квантовой телепортации была предложена в 1993 году группой теоретиков, включающей в себя Чарльза Беннетта и Жила Брассарда - тех самых, которые в 1984 году предложили квантовую криптографию. Что касается экспериментальных приоритетов, то он оспаривается между двумя группами. Первый эксперимент по телепортации фотонов был сделан группой профессора Франческо Де Мартини в Риме. Однако статья, посланная им в журнал, была «завернута» рецензентами под техническими предлогами. Поэтому первой вышла другой группы - профессора Антона Цайлингера в Иннсбруке (Австрия).
По традиции, партнеров, находящихся на двух концах квантовой линии связи, называют Алиса и Боб. Так вот, для того, чтобы телепортировать фотон от Алисы к Бобу, им нужно дополнительно приготовить и обменяться парой фотонов в запутанном состоянии. Таким образом, вначале у Алисы два фотона: тот, который она хочет телепортировать и один из двух запутанных, а у Боба - второй из этих двух. В ходе телепортации Алиса измеряет квантовое состояние обоих из своих фотонов и передает полученный результат Бобу.
Что значит «измеряет квантовое состояние»? Как это делается в эксперименте?
Если речь идет о состояниях оптической поляризации (то есть в какой плоскости колеблется поле электромагнитной волны), то используются так называемые поляризационные светоделители. Это такой стеклянный кубик, который пропускает горизонтально поляризованные фотоны и отражает на угол 90 градусов - вертикально поляризованные. Если фотон поляризован как-то по-другому, то есть находится в суперпозиции вертикального и горизонтального состояний, то он случайным образом пройдет насквозь либо отразится, с определенной вероятностью. За кубиком, в каналах пропускания и отражения, ставят детекторы одиночных фотонов, которые генерируют электрические импульсы при попадании на них квантов света.
Откуда берутся запутанные пары фотонов и что именно у них запутано?
Запутанные пары фотонов образуются в специальных кристаллах. Замечательное свойство таких кристаллов заключается в том, что они могут «делить» фотоны. Если пропустить через них мощный лазерный луч, то некоторые фотоны в этом луче распадутся на пары фотонов меньшей энергии. Эти пары могут быть запутаны по различным параметрам, не только по поляризации - по частотам, временам генерации, направлениям эмиссии.
Что такое вообще запутанные частицы? Например, мы взяли пару фотонов, разнесли их на расстояние и измерили состояние одного из них. Со вторым что-то в этот момент произошло? Или мы просто что-то узнали о нем, как в эксперименте с двумя шариками, которые можно бросить в мешок, вытащить один и точно узнать какой остался?
Запутанное состояние - это состояние суперпозиции, в котором одновременно находятся два отдельных квантовых объекта. Например, суперпозиция состояний двух фотонов, в первом из которых фотон Алисы имеет горизонтальную поляризацию, а фотон Боба вертикальную, а во втором - наоборот, является запутанной.
Квантовые свойства запутанных объектов являются коррелированными. Это означает не просто, что если один из партнеров обнаружит фотон в горизонтальной поляризации, поляризация второго окажется вертикальной (подобная корреляция встречается и у классических объектов, таких, как упомянутые Вами шарики в мешке). В случае квантовой корреляции, какой бы угол поляризации ни обнаружила Алиса, Боб непременно обнаружит поляризацию, ортогональную Алисе. По сравнению с шариками разница в том, что они имеют определенный цвет сами по себе - еще до того, как мы их увидели. С квантовым объектом дело обстоит иначе - нельзя сказать, что они имеют какую-то поляризацию до того, как мы ее измерили. До измерения они находятся в суперпозиции разных поляризаций.
Допустим, например, что Алиса поставила на пути своего фотона поляризационный светоделитель, наклоненный под углом 30 градусов, и обнаружила, что детектор, расположенный непосредственно за ним, «щелкнул». Это означает, что фотон прошел через светоделитель - Алиса детектировала фотон с поляризацией 30 градусов. Тогда, если Боб проделает аналогичное измерение, его светоделитель фотон с определенностью отразит, показывая, что поляризация фотона Боба 120 градусов. Получается, что Алиса, меняя угол своего светоделителя, может дистанционно приготавливать фотон Боба в определенном состоянии - как бы далеко Боб ни находился, мгновенно и без всякого взаимодействия ! Это явление называется квантовой нелокальностью. К сожалению, используя нелокальность невозможно передавать информацию на расстояние (иначе такая коммуникация была бы мгновенной, что противоречит специально теории относительности да и вообще здравому смыслу). Однако это можно использовать для телепортации и она СТО не противоречит.
Разобрались с запутанными парами, теперь - как нам провести квантовую телепортацию?
В телепортации используется более сложная разновидность нелокальности. Алиса делает совместное измерение над парой фотонов, которые у нее «в руках» - первоначальным фотоном (который она хочет телепортировать) и тем, что входит в запутанную пару.
Тогда фотон Боба преобразуется в состояние с поляризацией, идентичной первоначальной поляризации фотона Алисы, или такой, которая может быть приведена к этой поляризации простой операцией. Фотон Алисы при этом разрушается, благодаря чему соблюдается запрет на квантовое клонирование.
Это же обман, телепортируется только состояние частицы, а не сама частица. Почему же тогда это называется телепортацией?
Во-первых, квантовая телепортация - это физический термин, имеющий строго определенное значение, а «обычная» телепортация - термин из фантастической литературы. Так что это, вообще говоря, разные понятия. Однако следует помнить, что все на свете, - включая тело человека - по большому счету сводимо к неразличимым частицам. Мы состоим из кислорода, водорода и углерода, с небольшой добавкой других химических элементов. Если мы соберем нужное количество атомов нужных элементов, а затем с помощью телепортации приведем их в состояние, идентичное их состоянию в теле телепортируемого человека - получится тот самый человек. Он будет физически неотличим от оригинала за исключением своего положения в пространстве (ведь идентичные квантовые частицы неразличимы). Я, конечно, предельно утрирую - от телепортации человека нас отделяет целая вечность. Однако суть вопроса именно в этом: идентичные квантовые частицы встречаются везде, а вот привести их в нужное квантовое состояние совсем непросто.
Хорошо, а зачем вообще что-то телепортировать?
Телепортация макроскопических объектов - например, людей - не входит в число насущных задач квантовой технологии. Однако телепортация квантовых состояний микроскопических частиц - фотонов, атомов - оказывается полезной для квантовых информационных технологий. Например, она является важной составляющей определенных моделей квантовых компьютеров и повторителей (репитеров).
И как с помощью телепортации можно сделать связь?
Квантовая связь основана на кодировании битов в состояниях отдельных фотонов. В современных системах квантовой связи эти фотоны передаются от Алисе к Бобу напрямую по оптоволоконному каналу. Проблема в том, что в таких каналах есть существенные потери: половина всех фотонов теряется каждые 10-15 км. Это ограничивает практическую дальность передачи где-то сотней километров. Эту трудность, однако, можно обойти, если не передавать фотоны напрямую, а телепортировать их. Тогда фотону Алисы придется преодолеть лишь небольшое расстояние.
И как, это удается на практике? Какая скорость, дальность телепортации, что с репитерами?
Не вдаваясь в технические подробности, скажу, что для осуществления такой схемы необходимо уметь не только телепортировать квантовые состояния фотонов, но и сохранять их неизменными в течение относительно длительного времени (хотя бы нескольких миллисекунд). Для этого необходимо разработать квантовую ячейку памяти для фотонов, а такого прибора с необходимыми параметрами пока у нас нет. Поэтому квантовый повторитель пока не реализован. Однако надеюсь, что мы преодолеем трудности в течении ближайших нескольких лет.
Какие главные проблемы стоят перед квантовой телепортацией, что нам сулит их решение?
Для реализации «квантового интернета» и других квантовых информационных технологий нам нужно научиться переносить квантовые состояния между объектами различной физической природы - фотонами, атомами, квантовыми точками, сверхпроводящими цепями и так далее.
Подготовил Александр Ершов
С точки зрения физики телепортировать танк из точки А в точку Б очень просто. Нужно взять танк в точке А, измерить все его элементы, сделать чертежи и отправить их в точку Б. Потом в точке Б по этим чертежам собрать такой же танк. Но с квантовыми объектами дело обстоит значительно сложнее.
Все в этом мире состоит из протонов, нейтронов и электронов, но все эти элементы по-разному собраны и по-разному движутся. Говоря научно, они находятся в разном квантовом состоянии. И даже если бы у нас была машина, которая могла бы манипулировать отдельными частицами: собирать из них атомы, из атомов молекулы, мы все равно не смогли бы телепортировать даже амебу. Дело в том, что у маленьких квантовых объектов нельзя одновременно измерить все их параметры: разобрать квантовый танк на части мы бы еще смогли, а вот измерить их уже нет.
Эту-то проблему и решает квантовая телепортация. Она позволяет перенести свойства одного объекта на другой объект-болванку: квантовое состояние одного атома на другой атом, скорость и координату одного электрона на другой электрон. Смысл в том, что не имея никакой возможности узнать, в каком состоянии находится исходный атом, мы можем сделать так, что другой атом будет находиться в таком же неведомом, но конкретном состоянии. Правда, при этом состояние первого атома необратимо изменится, и, получив копию, мы потеряем оригинал.
2
Итак, телепортация - это перенос состояния с оригинала на атом-болванку. Для этого физики берут специальные частицы-близнецы. Лучше всего на эту роль подходит пара красных фотонов, полученных в результате распада одного фиолетового. Эти фотоны-близнецы обладают уникальным квантовым свойством: как бы далеко они ни были разнесены, они не перестают чувствовать друг друга. Как только изменяется состояние одного из фотонов - немедленно изменяется состояние другого.
Так вот, для телепортации квантового состояния из точки А в точку Б берутся эти два фотона. Один отправляется в точку А, другой - в точку Б. Фотон в точке А взаимодействует с атомом, состояние которого нужно передать в точку Б. Фотон здесь выступает в роли курьера DHL - он приехал к атому, забрал у него пакет документов, таким образом навсегда лишив его этих документов, но собрав нужную информацию, после чего садится в грузовик и увозит документы. В точке Б пакет получает другой фотон и везет его новому владельцу.
В точке Б производятся специальные преобразования со вторым фотоном, а затем происходит взаимодействие этого фотона со вторым атомом-болванкой, на который переносится нужное квантовое состояние. В результате атом-болванка становится атомом из точки А. Все, квантовая телепортация состоялась.
Физика еще очень далека от телепортации человека, зато уже близка спецслужбам и службам безопасности. Телепортацию квантовых состояний можно использовать, чтобы передать особо секретную информацию. Информация кодируется квантовым состоянием фотона, после чего состояние телепортируется от одного шпиона к другому. Если же вражеский шпион попытается перехватить информацию, ему придется произвести измерение состояния фотона, что его необратимо испортит и приведет к ошибкам. Эти ошибки сразу заметят наши шпионы и догадаются, что враг их подслушивает. Все это называется квантовой криптографией.
