Что такое квантовая телепортация простыми словами

Что такое квантовая телепортация простыми словами

Исследователи Йокогамского национального университета сообщили об успешном проведении эксперимента по квантовой телепортации. Им удалось перенести информацию внутри алмаза. В перспективе это открывает новые возможности по безопасной передаче информации на больших расстояниях.

Изотоп углерода (зелёный) сначала связывается с электроном (синим), который затем поглощает фотон (красного), что приводит к передаче фотона в память углерода путём квантовой телепортации.

«Квантовая телепортация позволяет передавать квантовую информацию в другое недоступное пространство. Это также позволяет передавать информацию в квантовую память, не раскрывая и не уничтожая хранимую квантовую информацию», — рассказал Хидео Косака, профессор Йокогамского национального университета и автор исследования.

В ходе эксперимента недоступное пространство состояло из атомов углерода в алмазе. Состоящий из связанных, но в то же время индивидуальных атомов углерода, алмаз является идеальной средой для квантовой телепортации. Атом углерода содержит шесть протонов и шесть нейтронов в своём ядре, окружённом шестью вращающимися электронами. Когда атомы связываются в алмаз, они образуют чрезвычайно крепкую решётку. Вместе с тем алмазы могут иметь дефекты, когда атом азота находится в одной из двух смежных ячеек, где должны находиться атомы углерода. Это явление называется азотно-вакансионным центром. Структура ядра атома азота, окружённая атомами углерода, создаёт то, что Хидео Косака называет наномагнитом.

Чтобы перемещать электрон и изотоп углерода, учёные прикрепили провод толщиной примерно в четверть человеческого волоса к поверхности алмаза. Они подали на провод микроволны и радиоволны, чтобы создать колеблющееся магнитное поле вокруг алмаза. Это позволило создать оптимальные, контролируемые условия для передачи квантовой информации внутри алмаза.

Следующим этапом исследователи использовали азотный наномагнит, чтобы закрепить электрон. Применив микроволны и радиоволны, Косака заставил электрон вращаться и «слиться» с вращающимся ядром углерода. В этот момент физические характеристики обеих частиц настолько переплетены, что их невозможно описать по отдельности. Тогда же электрон поглощает фотон, содержащий квантовую информацию. Это позволяет перенести состояние поляризации фотона в углерод, демонстрируя телепортацию информации на квантовом уровне.

Новостной редактор Rusbase

Никогда еще рунет не испытывал такой жажды познаний в квантовой механике, как после публикации в газете «КоммерсантЪ» статьи с упоминанием планов по внедрению в России «телепортации». Программа Агентства стратегических инициатив (АСИ) по технологическому развитию России, впрочем, «телепортацией» не ограничивается, однако именно этот термин привлек внимание соцсетей и СМИ и стал поводом для множества шуток.

Позже выяснилось, что речь идет вовсе не о фантастической технологии сверхсветового (следовательно, невозможного) транспорта, где людей мгновенно разбирают на атомы в одном месте и собирают в другом, а о квантовой телепортации – реальном физическом явлении, которое можно использовать в системах защищенной передачи данных.

Попробуем объяснить, чем одна телепортация отличается от другой, и что на самом предложили внедрять в АСИ.

Краткая версия

С помошью «телепортации» из фантастики персонажи художественных произведений телепортируют что угодно, включая людей. В данный момент ученые не рассматривают появление такой технологии всерьез. В рамках же квантовой телепортации можно передать только информацию о частице, если точнее – ее квантовое состояние.

Один из наиболее известных примеров телепортации в массовой культуре – перемещения с космического корабля на планету (и обратно) в сериале «Звездный путь»

Таким образом, квантовая телепортация – это способ переноса информации о какой-либо частице (фотоне, атоме) на другую частицу без перемещения этой частицы в пространстве. Главный «ингредиент» этого процесса – состояние квантовой запутанности, которое делает частицы взаимозависимыми на любых расстояниях.

Успешный перенос квантового состояния с одной частицы на другую можно применить в технологиях квантовой связи, что позволит создать невзламываемый тип коммуникации – из-за особенностей квантового мира хакер, решивший перехватить и изучить квантовую информацию, получит искаженную версию, которую вряд ли сможет использовать. В АСИ хотят внедрять именно квантовую телепортацию – в частности, интерес к этой технологии проявляют банки и структуры безопасности.

Теперь подробнее

В нашем мире абсолютно все состоит из элементарных частиц. Даже взаимодействия между частицами состоят из особых частиц (бозонов). Все частицы при этом обитают в квантовом мире – на недоступном глазу микроуровне, где законы физики очень сильно отличаются от привычных человеку.

Одно из таких явлений, которому невозможно подобрать аналог в нашем «обычном» мире, – это квантовая запутанность. Представьте – между частицами появляется таинственная и очень хрупкая связь, которая делает их взаимозависимыми на абсолютно любых расстояниях без каких-либо видимых взаимодействий. Измерив квантовое состояние одной частицы из такой пары, исследователь всегда может точно предсказать состояние другой.

Именно это явление лежит в основе феномена квантовой телепортации, который активно изучается с первых удачных экспериментов в 1990-х годах.

Рецепт квантовой телепортации

Есть распространенный пример, который обычно приводят для объяснения квантовой телепортации.

  • Частица А, квантовое состояние которой нужно передать;
  • Две запутанные частицы B и C, представляющие собой квантовый канал связи;
  • Традиционный канал связи – в случае фотонов для этого используется оптоволоконный кабель.

Допустим, ученые используют фотоны – частицы, из которых состоит свет. Сначала исследователи «запутывают» пару фотонов (как они это делают – отдельная тема, но об одном из способов можно почитать здесь).

Затем запутанные частицы разносят на необходимое расстояние – так, чтобы в одном месте остались фотоны A и B, а в другом – C. Между двумя пунктами проводят оптоволоконный кабель. Отметим, что максимальное расстояние, на котором производилась квантовая телепортация, составляет уже более 100 км.

Читайте также:  Что такое устройство воспроизведения звука

Задача – передать квантовое состояние незапутанной частицы А частице C. Для этого ученые измеряют квантовое свойство фотонов А и B. Результаты измерений затем превращают в бинарный код, который рассказывает о различиях между частицами А и B.

Этот код затем передают по традиционному каналу связи – оптоволокну, и получатель сообщения на другом конце кабеля, который обладает частицей C, использует эту информацию как инструкцию или ключ для манипуляций с частицей C – по сути, восстанавливая с помощью частицы C состояние, которое было у частицы A. В результате частица C копирует квантовое состояние частицы А – информация телепортирована.

Для чего все это нужно

В первую очередь квантовую телепортацию планируется применять в технологиях квантовой связи и квантовой криптографии – защищенность такого типа коммуникаций выглядит привлекательно и для бизнеса, и для государства, а использование квантовой телепортации позволяет избежать потери информации при движении фотонов по оптоволокну.

К примеру, недавно стало известно об успешной передаче квантовой информации между двумя офисами «Газпромбанка» в Москве по оптоволокну длиной 30,6 километра. Проект, над которым работал Российский квантовый центр (РКЦ), и в который «Газпромбанк» и Министерство образования и науки РФ вложили 450 млн рублей, фактически оказался первой «городской» линией квантовой связи в России.

Другое направление ˜– это квантовые компьютеры, где запутанные частицы могут использоваться в качестве кубитов – единиц квантовой информации.

Еще одна идея – это «квантовый интернет»: целая сеть коммуникаций, основанная исключительно на квантовой связи. Для реализации этого концепта, впрочем, исследователям необходимо «научиться переносить квантовые состояния между объектами различной физической природы — фотонами, атомами, квантовыми точками, сверхпроводящими цепями и так далее», отмечал в разговоре с изданием N+1 сотрудник РКЦ и профессор Университета Калгари Александр Львовский.

Отметим, что в данный момент ученые телепортируют в основном состояния фотонов и атомов; более крупные объекты телепортировать пока не удалось.

Квантовая телепортация как «та самая» телепортация

Судя по всему, гипотетически квантовую телепортацию все-таки можно использовать для создания копий крупных объектов, включая человека – ведь организм тоже состоит из атомов, квантовые состояния которых можно телепортировать. Однако на современном этапе развития технологий это считают невозможным и относят к области фантастики.

«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», – говорил Александр Львовский в беседе с N+1.

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter

Физик Юрий Курочкин о квантовой криптографии, запутанных фотонах и квантовых лабораториях

giphy.com

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.

Читайте также:  Клевые названия для групп

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.

Читайте также:  Ведьмак 2 лагает на минималках что делать

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.

Ссылка на основную публикацию
Что означает охват в статистике вконтакте
Что такое охват подписчиков во Вконтакте Как посмотреть охват? Для сообщества Перейдите в сообщество, на панели управления нажмите кнопку «Статистика»,...
Что делать если взломали сим карту
Подавляющее большинство современных телефонов оборудовано лотком под сим-карту, вытащить который очень легко с помощью скрепки или иглы. Какие-то телефоны после...
Что делать если забыл название игры
В сообществе Лига Геймеров очень часто всплывают посты "Помогите найти игру". Там их не очень жалуют. Для этого и создано...
Что означает ошибка esp
Однажды ни с того ни с сего во время достаточно спокойной езды загорелась ошибка: "Сервис: ESP", затем следом появилось сообщение...
Adblock detector