Что такое квантовая телепортация? Отвечает физик. Квантовая телепортация
Квантовая азбука: «Телепортация»
Квантовый мир очень далек от нашего, поэтому его законы часто кажутся нам странными и контринтуитивными. Однако важные новости из квантовой физики приходят буквально каждый день, 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 статья 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
nplus1.ru
Квантовая телепортация: великие открытия ученых-физиков
Квантовая телепортация является одним из наиболее важных протоколов в квантовой информации. Основываясь на физическом ресурсе запутанности, она служит главным элементом различных информационных задач и представляет собой важную составную часть квантовых технологий, играя ключевую роль в дальнейшем развитии квантовых вычислений, сетей и коммуникации.
От научной фантастики до открытия ученых
Прошло уже более двух десятилетий с момента открытия квантовой телепортации, которая, возможно, является одним из самых интересных и захватывающих следствий «странности» квантовой механики. До того как были сделаны эти великие открытия, данная идея принадлежала области научной фантастики. Впервые придуманный в 1931 г. Чарльзом Х. Фортом термин «телепортация» с тех пор используется для обозначения процесса, посредством которого тела и объекты передаются из одного места в другое, на самом деле не преодолевая расстояние между ними.
В 1993 году была опубликована статья с описанием протокола квантовой информации, получившего название «квантовая телепортация», который разделил несколько из перечисленных выше признаков. В нем неизвестное состояние физической системы измеряется и впоследствии воспроизводится или «повторно собирается» в удаленном месте (физические элементы исходной системы остаются в месте передачи). Этот процесс требует классических средств связи и исключает сверхсветовую коммуникацию. Для него необходим ресурс запутанности. На самом деле телепортацию можно рассматривать как протокол квантовой информации, который наиболее четко демонстрирует характер запутанности: без его присутствия такое состояние передачи не было бы возможным в рамках законов, которыми описывается квантовая механика.
Телепортация играет активную роль в развитии науки об информации. С одной стороны, это концептуальный протокол, играющий решающую роль в развитии формальной квантовой теории информации, а с другой он является фундаментальной составляющей многих технологий. Квантовый повторитель – ключевой элемент коммуникации на большие расстояния. Телепортация квантовых переключателей, вычисления на основе измерений и квантовые сети – все являются ее производными. Она используется и в качестве простого инструмента для изучения «экстремальной» физики, касающейся временных кривых и испарения черных дыр.
Сегодня квантовая телепортация подтверждена в лабораториях во всем мире с использованием множества различных субстратов и технологий, в том числе фотонных кубитов, ядерного магнитного резонанса, оптических мод, групп атомов, захваченных атомов и полупроводниковых систем. Выдающиеся результаты были достигнуты в области дальности телепортации, предстоят эксперименты со спутниками. Кроме того, начались попытки масштабирования до более сложных систем.
Телепортация кубитов
Квантовая телепортация была впервые описана для двухуровневых систем, так называемых кубитов. Протокол рассматривает две удаленные стороны, именуемые Алисой и Бобом, которые разделяют 2 кубита, А и В, находящиеся в чистом запутанном состоянии, также называемые парой Белла. На входе Алисе дается еще один кубит а, чье состояние ρ неизвестно. Затем она выполняет совместное квантовое измерение, называемое обнаружением Белла. Оно переносит а и А в одно из четырех состояний Белла. В результате состояние входного кубита Алисы при измерении исчезает, а кубит Боба B одновременно проецируется на Р†kρPk. На последнем этапе протокола Алиса передает классический результат ее измерения Бобу, который применяет оператор Паули Pk для восстановления исходного ρ.
Начальное состояние кубита Алисы считается неизвестным, так как в противном случае протокол сводится к его удаленному измерению. Кроме того, оно само по себе может быть частью более крупной составной системы, разделенной с третьей стороной (в этом случае успешная телепортация требует воспроизведения всех корреляций с этой третьей стороной).
Типичный эксперимент по квантовой телепортации принимает исходное состояние чистым и принадлежащим к ограниченному алфавиту, например, шести полюсам сферы Блоха. В присутствии декогеренции качество реконструированного состояния может быть количественно выражено точностью телепортации F ∈ [0, 1]. Это точность между состояниями Алисы и Боба, усредненные по всем результатами обнаружения Белла и исходному алфавиту. При малых значениях точности существуют методы, позволяющие провести несовершенную телепортацию без использования запутанного ресурса. Например, Алиса может напрямую измерить свое исходное состояние, посылая результаты Бобу для подготовки результирующего состояния. Такую стратегию измерения-подготовки называют «классической телепортацией». Она имеет максимальную точность Fclass = 2/3 для произвольного входного состояния, что эквивалентно алфавиту взаимно несмещенных состояний, таких как шесть полюсов сферы Блоха.
Таким образом, четким признаком использования квантовых ресурсов является значение точности F> Fclass.
Не кубитом единым
Как утверждает квантовая физика, телепортация не ограничивается кубитами, она может включать многомерные системы. Для каждого конечного измерения d можно сформулировать идеальную схему телепортации, используя базис максимально запутанных векторов состояния, который может быть получен из заданного максимально запутанного состояния и базиса {Uk} унитарных операторов, удовлетворяющих tr(U†j Uk) = dδj,k. Такой протокол можно построить для любого конечноразмерного гильбертового пространства т. н. дискретно-переменных систем.
Кроме того, квантовая телепортация может распространяться и на системы с бесконечномерным гильбертовым пространством, называемыми непрерывно-переменными системами. Как правило, они реализуются оптическими бозонными модами, электрическое поле которых можно описать квадратурными операторами.
Скорость и принцип неопределенности
Какова скорость при квантовой телепортации? Информация передается на скорости, аналогичной скорости передачи того же количества классической – возможно, со скоростью света. Теоретически она может быть использована таким образом, каким классическая не может – например, в квантовых вычислениях, где данные доступны только получателю.
Нарушает ли квантовая телепортация принцип неопределенности? В прошлом идея телепортации не очень серьезно воспринималась учеными, потому что считалось, что она нарушает принцип, запрещающий любому измерительному или сканирующему процессу извлекать всю информацию атома или другого объекта. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее объект сканируется, тем больше на него влияет процесс сканирования, пока не будет достигнута точка, когда исходное состояние объекта нарушится до такой степени, что больше нельзя будет получить достаточного количества информации для создания точной копии. Это звучит убедительно: если человек не может извлечь сведения из объекта для создания идеальной копии, то последняя сделана быть не может.
Квантовая телепортация для чайников
Но шесть ученых (Чарльз Беннет, Жиль Брассар, Клод Крепо, Ричард Джоса, Ашер Перес и Уильям Вутерс) нашли способ обойти эту логику, используя знаменитую и парадоксальную особенность квантовой механики, известную как эффект Эйнштейна-Подольского-Розена. Они нашли способ отсканировать часть информации телепортируемого объекта А, а остальную непроверенную часть посредством упомянутого эффекта передать другому объекту С, в контакте с А никогда не пребывавшему.
В дальнейшем, путем применения к C воздействия, зависящего от отсканированной информации, можно ввести С в состояние А до сканирования. Сам А уже не в том состоянии, так как полностью изменен процессом сканирования, поэтому достигнутое является телепортацией, а не репликацией.
Борьба за дальность
- Первая квантовая телепортация была проведена в 1997 г. почти одновременно учеными из Университета Инсбрука и Университета Рима. Во время эксперимента исходный фотон, обладающий поляризацией, и один из пары запутанных фотонов подверглись изменению таким образом, что второй фотон получил поляризацию исходного. При этом оба фотона находились на расстоянии друг от друга.
- В 2012 г. состоялась очередная квантовая телепортация (Китай, Университет науки и технологии) через высокогорное озеро на расстояние 97 км. Команде ученых из Шанхая во главе с Хуаном Иинем удалось разработать наводящий механизм, который позволил точно нацелить пучок.
- В сентябре того же года была проведена рекордная квантовая телепортация на 143 км. Австрийские ученые из Академии наук Австрии и Университета Вены под руководством Антона Цайлингера успешно передали квантовые состояния между двумя Канарскими островами Ла Палма и Тенерифе. В эксперименте использовались две оптические линии связи на открытом пространстве, квантумная и классическая, частотно некоррелированная поляризационно запутанная пара фотонов-источников, сверхнизкошумные однофотонные детекторы и сцепленная тактовая синхронизация.
- В 2015 г. исследователи из американского Национального института стандартов и технологии впервые произвели передачу информации на расстояние более 100 км по оптоволокну. Это стало возможным благодаря созданным в институте однофотонным детекторам, использующим сверхпроводящие нанопровода из силицида молибдена.
Понятно, что идеальной квантовой системы или технологии пока не существует и великие открытия будущего еще впереди. Тем не менее можно попытаться определить возможных кандидатов в конкретных областях применения телепортации. Подходящая их гибридизация при условии совместимой базы и методов может обеспечить наиболее перспективное будущее для квантовой телепортации и ее применений.
Короткие дистанции
Телепортация на короткие расстояния (до 1 м) как подсистема квантовых вычислений перспективна на полупроводниковых устройствах, лучшим из которых является схема QED. В частности, сверхпроводящие трансмоновые кубиты могут гарантировать детерминированную и высокоточную телепортацию на чипе. Они также позволяют прямую подачу в режиме реального времени, которая выглядит проблематичной на фотонных чипах. К тому же они обеспечивают более масштабируемую архитектуру и лучшую интеграцию существующих технологий по сравнению с предыдущими подходами, такими как захваченные ионы. В настоящее время единственным недостатком этих систем, по-видимому, является их ограниченное время когерентности (<100 мкс). Эта проблема может быть решена с помощью интегрирования схемы QED с полупроводниковыми спин-ансамблевыми ячейками памяти (с азотно-замещенными вакансиями или легированными редкоземельными элементами кристаллами), которые могут обеспечить длительное время когерентности для квантового хранения данных. В настоящее время данная реализация является предметом приложения больших усилий научного сообщества.
Городская связь
Телепортационная связь в масштабе города (несколько километров) могла бы разрабатываться с использованием оптических мод. При достаточно низких потерях эти системы обеспечивают высокие скорости и ширину полосы. Они могут быть расширены от настольных реализаций до систем средней дальности, действующих через эфир или оптоволокно, с возможной интеграцией с ансамблевой квантовой памятью. Более дальние расстояния, но с более низкими скоростями могут быть достигнуты с помощью гибридного подхода или путем разработки хороших ретрансляторов, основанных на негауссовских процессах.
Дальняя связь
Междугородняя квантовая телепортация (более 100 км) является активной областью, но по-прежнему страдает от открытой проблемы. Кубиты поляризации – лучшие носители для низкоскоростной телепортации по длинным оптоволоконным линиям связи и через эфир, но в настоящее время протокол является вероятностным из-за неполного обнаружения Белла.
Хотя вероятностная телепортация и запутанности приемлемы для таких задач, как дистилляция запутывания и квантовая криптография, но это явно отличается от коммуникации, в которой входная информация должны быть полностью сохранена.
Если принять этот вероятностный характер, то спутниковые реализации находятся в пределах досягаемости современных технологий. Кроме интеграции методов отслеживания, основной проблемой становятся высокие потери, вызванные расплыванием пучка. Это может быть преодолено в конфигурации, где запутанность распределена от спутника до наземных телескопов с большой апертурой. Предполагая апертуру спутника в 20 см при 600-км высоте и 1-м диафрагму телескопа на земле, можно ожидать около 75 дБ потерь в канале нисходящей линии связи, что меньше, чем 80 дБ потерь на уровне земли. Реализации «земля-спутник» или «спутник-спутник» являются более сложными.
Квантовая память
Будущее использование телепортации в качестве составной части масштабируемой сети прямо зависит от ее интеграции с квантовой памятью. Последняя должна обладать превосходным, с точки зрения эффективности конверсии, интерфейсом «излучение-материя», точностью записи и считывания, временем хранения и пропускной способностью, высокой скоростью и емкостью запоминающего устройства. В первую очередь это позволит использовать ретрансляторы для расширения коммуникации далеко за рамки прямой передачи с использованием кодов коррекции ошибок. Развитие хорошей квантовой памяти позволило бы не только распределить запутывание по сети и телепортационную коммуникацию, но и связно обрабатывать хранимую информацию. В конечном итоге, это может превратить сеть во всемирно распределенный квантовый компьютер или основу для будущего квантового интернета.
Перспективные разработки
Атомные ансамбли традиционно считались привлекательными из-за их эффективного преобразования «свет-материя» и их миллисекундных сроков хранения, которые могут достигать 100 мс, необходимых для передачи света в глобальном масштабе. Тем не менее более перспективные разработки сегодня ожидаются на основе полупроводниковых систем, где отличная спин-ансамблевая квантовая память прямо интегрируется с масштабируемой архитектурой схемы QED. Эта память не только может продлить время когерентности цепи QED, но и обеспечить оптико-микроволновой интерфейс для взаимопревращения оптико-телекоммуникационных и чиповых микроволновых фотонов.
Таким образом, будущие открытия ученых в области квантового интернета, вероятно, будут основаны на дальней оптической связи, сопряженной с полупроводниковыми узлами для обработки квантовой информации.
fb.ru
Квантовая телепортация: все, что вы хотели узнать, но боялись спросить
В прошлом месяце произошло сразу два интересных события в сфере квантовых технологий: китайские ученые телепортировали фотоны света с наземной станции на космический спутник и прошла ежегодная конференция ведущих экспертов квантовой физики в Москве. Изданию Business Insider удалось поймать на ней доктора Юджина Ползика из Института Нильса Бора, одного из ведущих специалистов квантовой телепортации, и расспросить его по самым разным вопросам, включая о выдающемся успехе его китайских коллег.
«Телепортации подобного рода проводились в лабораторных условиях начиная еще с 1997 года, однако китайским ученым удалось достичь этого удивительного технологического эффекта при большом расстоянии», — отметил Ползик.
В 2012 году команда европейских ученых успешно телепортировала фотоны между двумя Канарскими островами. Между передающим и принимающим устройствами расстояние составляло 141 километр. Китайским же исследователям удалось побить этот рекорд в июле, когда они успешно телепортировали фотоны на расстояние более 500 километров.
Мы давно мечтаем о подобной технологии из «Звездного пути», хотя наша интуиция всегда говорила о том, что телепортация в принципе невозможна. Однако физика нашего реального мира, в котором мы ежедневно пребываем, мало похожа на физику мира квантов. Здесь законы падающего камня с обрыва скалы и управляющие электронами и отдельными фотонами света полностью отличаются от того, что мы привыкли видеть. Поэтому в таком причудливом мире возможно практически все, в том числе и телепортация. На как во всем этом разобраться? Начать следует с квантовой запутанности.
Что такое квантовая запутанность?
Иногда две квантовые частицы оказываются зеркально связанными. Чтобы ни происходило с одной из этих частиц, то же самое будет происходить и с другой. Даже если они разделены большими расстояниями. Они по-прежнему остаются двумя отдельными объектами, но при этом являются идентичными во всем. Когда две частицы разделяют между собой свои состояния, то такие частицы называются запутанными.
«Предположим, я создал пару запутанных фотонов», — объясняет Ползик.
«Я оставляю один у себя, а другой отправляю с помощью лазера на находящийся на орбите космический спутник, надеясь на то, то фотон достигнет точки назначения. Телепортацию можно считать успешной только при разделении состояния запутанности двух фотонов между передающей и получающей станциями».
Основная техническая сложность процесса телепортации заключается в передаче фотона на некое расстояние от запутанной частицы-партнера. В случае с китайским экспериментом, один фотон находился в лаборатории на Земле, а второй был успешно отправлен к орбитальному спутнику. Изменения, произошедшие с фотоном на Земле в рамках манипуляций ученых, отразились также и на фотоне, находящемся в космосе, – это и есть квантовая телепортация в чистом виде.
Как понять, получил ли спутник нужный фотон, а не какую-то случайную частицу света?
Сделать это относительно просто благодаря процессу, называемому спектральной фильтрацией. Он позволяет ученым определить и проследить за отдельными фотонами света, маркируя их уникальным идентификационным номером.
«Вам известна частота фотона, который вы посылаете, вам известна его направленность. Спутник направлен на источник отправки, располагающийся на Земле. Если вы располагаете очень хорошим оптическим оборудованием с обеих сторон, то эта оптика видит исключительно источник, и ничего больше», — продолжает объяснение Ползик.
Метод спектральной фильтрации безразличен к «шуму» в виде других фотонов. Например, при проведении того же эксперимента на Канарских островах передача проводилась при ясном солнечном небе.
Происходила передача миллионов фотонов на спутник, но до точки назначения добрались только 900. Почему?
Чем дальше вы пытаетесь отправить запутанный фотон, тем менее эффективным становится этот процесс. Более того, атмосфера Земли находится в постоянном движении, поэтому потерять фотоны на их пути следования в открытый космос проще простого.
«Даже если бы там не было атмосферы, вам по-прежнему необходимо фокусировать луч света, чтобы он был направлен на спутник. Если посветить лазерной указкой на ладонь, то точка света будет маленькой, но стоит только удалить лазер, и точка становится больше – это закон дифракции», — говорит Ползик.
С земли свету довольно сложно пробиться к космосу (к оптическому приемнику, установленному на орбитальный спутник). Он сильно искажается, поэтому большинство фотонов просто уходит в никуда.
«Добиться успешной телепортации можно лишь на очень коротком промежутке времени. В общем смысле это очень непрактично, но тем не менее способы применения данной технологии можно найти», — продолжает Ползик.
Квантовая телепортация – это возможность мгновенной передачи данных?
Не совсем. Телепортируемые объекты не исчезают, а затем вновь появляются где-то еще. Ученые используют состояние запутанности для передачи информации о квантовом состоянии одного фотона на другой. Без этой информации фотону придется физически преодолевать всю дистанцию между передатчиком и приемником. И опять же, информация не передается мгновенно. Такое возможно только тогда, когда отправитель проводит измерение квантового состояния своего фотона, тем самым изменяя состояния фотона на приемнике. Из-за квантовой запутанности по сути один фотон «становится» другим фотоном.
Так для чего все это нужно?
Квантовая телепортация способна доказать концепт возможности создания сверхзащищенной мировой коммуникационной сети. Как ключ, открывающий замок, сообщение переданное по квантовой сети достигнет только того адресата, который обладает правильно запутанным фотоном, который позволит это сообщение получить и прочитать.
Альберт Эйнштейн однажды назвал квантовую запутанность «жутким дальнодействием», но это дальнодействие является фундаментальным компонентом, благодаря которому все работает. И однажды он может стать драйвером нашего безопасного общения в будущем.
hi-news.ru
Что такое квантовая телепортация? Отвечает физик | Наука | Общество
Учёные из Китая проведут первый в мире эксперимент по квантовой телепортации на расстояние около 1200 километров — между землёй и космосом! Исследователи также планируют провести подобные опыты по квантовой телепортации между Землёй и Луной.
Телепортация… Слово из научно-фантастических книг, из историй о космических приключениях, где герои за секунды преодолевают гигантские расстояния с помощью телепорта. Квантовая телепортация не имеет ничего общего с реальным перемещением объектов. В таком случае, что это такое и почему так называется? О квантовой телепортации АиФ.ru рассказал руководитель лаборатории физики Политехнического музея Юрий Михайловский:
— Нужно понимать, что при квантовой телепортации не происходит перемещения объекта из одного места в пространстве в другое — как при телепортации в обычном понимании этого слова. При помощи квантовой телепортации телепортируется, то есть мгновенно перемещается, не сам объект, а состояние этого объекта! Грубо говоря, у нас есть некий предмет, имеющий определённое состояние, и мы с помощью квантовой телепортации можем перенести это состояние в другое место, чтобы там появился объект с такими же свойствами. (В Китае состояние частиц между двумя пунктами на Земле будут передавать с помощью космического спутника, который ради этого эксперимента собираются вывести на орбиту — прим. ред.) Но про объект — условно. Поясню: сейчас мы не умеем передавать состояние сложных объектов. Речь идёт о том, чтобы передать состояние отдельных атомов или фотонов, ничего больше.
Для того чтобы осуществить квантовую телепортацию, нужно создать квантовую запутанную пару. Для простоты будем говорить про одно состояние, состояние спина частицы. Он может находиться в двух состояниях: спин вверх и спин вниз. Эти состояния мы и будем пытаться передать. Итак, мы пытаемся создать так называемую квантовую запутанную пару (обычно это пара световых фотонов). Она устроена таким образом, что у них суммарный спин равен нулю. То есть у одного фотона спин вверх, у другого — вниз, когда мы создаём эту пару, их сумма — ноль. При этом не только мы не знаем, куда фотоны смотрят, но и сами фотоны не знают, в какую сторону направлены их спины. Они находятся в так называемом смешанном состоянии, неопределённом. Может быть, спин вверх, может, вниз, никто не знает, пока не будет проведён акт измерения.
Но у нас есть гарантия, что если мы измерим один спин, и он смотрит вверх, то спин другого фотона смотрит вниз. Теперь возьмём два запутанных фотона и разнесём их на большое расстояние, километр, например. И тут мы берём один из фотонов и измеряем его состояние. Определяем, что у него спин вверх, и в этот момент на расстоянии одного километра спин другого смешанного фотона превращается в состояние со спином вниз. Актом измерения одного фотона мы изменили состояние другого фотона.
Обычно эти два запутанных фотона называют Ансилой и Бобом.
Этот эффект квантовой запутанности используется для телепортации. У нас есть спин, который мы хотели бы телепортировать, его обычно называют Алисой. Так вот, производят измерение суммарного спина Алисы и Ансилы, и в этот момент Боб получает состояние Алисы, или сопряжённое к нему (противоположное). О том, какое именно, мы узнаём из результата измерения. После этого нам необходимо эту информацию передать уже по обычному каналу связи. Надо ли переворачивать Боба или нет.
Если мы, например, передаём состояния 10 спинов, то для завершения телепортации необходимо передать сообщение вида: «Поменять на противоположные состояния 1, 3, 5, 6 и 8».
Как-то так и осуществляется квантовая телепортация.
www.aif.ru
Квантовая телепортация: развенчивая мифы - physħ
Как сообщается на сайте журнала Nature, 9 августа вышла статья китайских учёных, которым удалось осуществить квантовую телепортацию на расстояние около 97 км. Это новый рекорд, хотя в arXiv.org ешё с 17 мая лежит пока нигде не опубликованная статья другой группы, которая сообщает об удачных экспериментах по телепортации на расстояние около 143 км.
Несмотря на то, что явление квантовой телепортации изучается уже довольно давно, у людей, далёких от науки, отсутствует понимание того, что же это такое. Попробую развеять некоторые мифы, связанные с этой частью науки.
Миф 1: квантовая телепортация теоретически позволяет телепортировать любой объект.
На самом деле, при квантовой телепортации передаются не физические объекты, а некая информация, записанная при помощи квантовых состояний объектов. Обычно этим состоянием является поляризация фотонов. Как известно, фотон может иметь две различные поляризации: например, горизонтальную и вертикальную. Их можно использовать как переносчики побитовой информации: скажем, 0 будет соответствовать горизонтальной поляризации, а 1 — вертикальной. Тогда передача состояния одного фотона другому обеспечит и передачу информации.
В случае квантовой телепортации передача данных происходит следующим образом. Вначале создаётся пара так называемых сцепленных фотонов. Это означает, что их состояния оказываются в некотором смысле связанными: если у одного при измерении поляризация окажется горизонтальной, то у другого всегда будет вертикальной и наоборот, при чём и тот, и другой вариант возникает с одинаковой вероятностью. Затем эти фотоны разносятся: один остаётся у источника сообщения, а другой уносится его приёмником.
Когда источник хочет передать своё сообщение, он связывает свой фотон с ещё одним фотоном, состояние (то есть поляризация) которого точно известно, а затем производит измерение поляризации обоих своих фотонов. В этот момент согласованным образом меняется состояние и фотона, находящегося у приёмника. Измерив его поляризацию и узнав по другим каналам связи результаты измерений фотонов источника, приёмник может точно установит, какой бит информации был передан.
Миф 2: с помощью квантовой телепортации можно передавать информацию со скоростью, превышающей скорость света.
Действительно, согласно современным представлениям передача состояний между сцепленными фотонами происходит мгновенно, таким образом, может возникнуть ощущение, что и информация передаётся мгновенно. Это, однако, не так, поскольку хотя состояние и было передано, прочитать его, расшифровав послание, можно только после передачи дополнительной информации о том, каковы же поляризации двух фотонов, находящихся у источника. Эта дополнительная информация передаётся по классическим каналам связи и скорость её передачи превышать скорость света не может.
Миф 3: получается, что квантовая телепортация совершенно неинтересна.
Конечно, на практике оказывается, что процесс квантовой телепортации, возможно, не так захватывающ, как это может показаться по его названию, однако и он может получить важное практическое применение. В первую очередь, это безопасная передача данных. Всегда можно перехватить сообщение, посланное по классическим каналам связи, однако воспользоваться им сможет только тот, у кого находится второй сцепленный фотон. Все остальные прочитать сообщение просто не смогут. К сожалению, пока до реального использования этого эффекта далеко, на данном этапе идут лишь научные эксперименты, требующие достаточно сложной аппаратуры.
Если вас заинтересовала эта тема, возможно, вам будет также интересно почитать про то, что в квантовом мире, оказывается, разоблачить невежество сложнее, чем в классическом.
physh.ru
Квантовая телепортация / Блог компании ПостНаука / Хабр
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.
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.
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°.
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.
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.
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.
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.
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.
habr.com
Наука: Наука и техника: Lenta.ru
Квантовая телепортация — это передача квантового состояния на расстояние. Отдельно ее объяснить трудно, это можно сделать только вкупе со всей квантовой физикой. В своей лекции, состоявшейся в рамках «Лектория 2035» на ВДНХ, профессор физического факультета Университета Калгари (Канада), член Канадского института высших исследований Александр Львовский постарался простым языком рассказать о принципах квантовой телепортации и квантовой криптографии. «Лента.ру» публикует выдержки из его выступления.
Криптография — это искусство общения защищенным образом по незащищенному каналу. То есть у вас есть некая линия, которую могут прослушивать, и вам нужно передать по ней секретное сообщение, которое никто посторонний не сможет прочесть.
Представим, что, скажем, если у Алисы и Боба есть так называемый секретный ключ, а именно — тайная последовательность нулей и единиц, которой нет ни у кого другого, они могут зашифровать сообщение с помощью этого ключа, применив операцию исключающего ИЛИ, чтобы ноль совпадал с нулем, а единица — с единицей. Такое зашифрованное послание уже можно передать по открытому каналу. Если его кто-то перехватит, это не страшно, ведь его никто не сможет прочесть, кроме Боба, у которого есть копия секретного ключа.
В любой криптографии, в любой коммуникации самым дорогим ресурсом является случайная последовательность нулей и единиц, которой владеют только два общающихся. Но в большей части случаев используется криптография с открытым ключом. Допустим, вы покупаете что-то с помощью кредитной карты в интернет-магазине по безопасному протоколу HTTPS. По нему ваш компьютер переговаривается с каким-то сервером, с которым до этого никогда не общался, и у него не было возможности обменяться с этим сервером секретным ключом.
Тайна этого диалога обеспечивается решением сложной математической задачи, в частности — разложения на простые множители. Перемножить два простых числа легко, а если уже дано их произведение, то найти два сомножителя трудно. Если число достаточно большое, оно потребует от обычного компьютера многолетних вычислений.
Однако если этот компьютер не обычный, а квантовый, он такую задачу решит легко. Когда он будет наконец изобретен, приведенный выше широко используемый метод окажется бесполезным, что, как ожидается, будет иметь катастрофические последствия для общества.
Если помните, в первой книге про Гарри Поттера главному герою нужно было пройти через защиту, чтобы добраться до Философского камня. Тут нечто похожее: тому, кто установил защиту, будет легко пройти ее. Гарри пришлось очень трудно, но в итоге он ее все же преодолел.
Этот пример очень хорошо иллюстрирует криптографию с открытым ключом. Тот, кто его не знает, в принципе имеет возможность расшифровать сообщения, однако ему будет очень трудно, и на это потенциально потребуется много лет. Абсолютной безопасности криптография с открытым ключом не дает.
Все это объясняет необходимость квантовой криптографии. Она дает нам лучшее из обоих миров. Есть метод одноразового блокнота, надежный, но, с другой стороны, требующий «дорогого» секретного ключа. Чтобы Алиса могла общаться с Бобом, она должна послать ему курьера с чемоданом, полным дисков с такими ключами. Он их будет постепенно расходовать, так как каждый из них можно использовать только один раз. С другой стороны, у нас есть метод открытого ключа, который «дешев», но не дает абсолютной надежности.
Бинарный код
Изображение: Science Museum / Globallookpress.com
Квантовая криптография, с одной стороны, «дешевая», она позволяет безопасную передачу ключа по каналу, в который могут залезть, а с другой стороны — гарантирует секретность благодаря фундаментальным законам физики. Смысл ее заключается в том, чтобы кодировать информацию в квантовом состоянии отдельных фотонов.
В соответствии с постулатами квантовой физики, квантовое состояние в момент, когда его пытаются измерить, разрушается и изменяется. Таким образом, если на линии между Алисой и Бобом есть какой-то шпион, пытающийся подслушать или подсмотреть, он неизбежно изменит состояние фотонов, общающиеся заметят, что линию прослушивают, прекратят коммуникацию и примут меры.
В отличие от многих других квантовых технологий, квантовая криптография является коммерческой, это не научная фантастика. Уже сейчас есть компании, производящие серверы, подключаемые к обычной оптоволоконной линии, с помощью которых можно осуществлять безопасное общение.
Свет — это поперечная электромагнитная волна, колеблющаяся не вдоль, а поперек. Это свойство называется поляризацией, и оно присутствует даже в отдельных фотонах. С помощью них можно кодировать информацию. Например, горизонтальный фотон — это ноль, а вертикальный — единица (то же верно для фотонов с поляризацией плюс 45 градусов и минус 45 градусов).
Алиса закодировала таким образом информацию, и Бобу нужно ее принять. Для этого используется специальный прибор — поляризационный светоделитель, куб, состоящий из двух призм, склеенных между собой. Он пропускает горизонтально поляризованный поток и отражает вертикально поляризованный, благодаря чему происходит декодирование информации. Если горизонтальный фотон — ноль, а вертикальный — единица, то тогда в случае логического ноля щелкнет один детектор, а в случае единицы — другой.
Но что будет, если мы пошлем диагональный фотон? Тогда начинает играть роль знаменитая квантовая случайность. Нельзя сказать, пройдет такой фотон или отразится — он с вероятностью 50 процентов сделает либо одно, либо другое. Предсказать его поведение невозможно в принципе. Более того, это свойство лежит в основе коммерческих генераторов случайных чисел.
Что же делать, если у нас стоит задача различить поляризации плюс 45 градусов и минус 45 градусов? Нужно повернуть светоделитель вокруг оси луча. Тогда закон квантовой случайности будет действовать для фотонов с горизонтальной и вертикальной поляризациями. Это свойство фундаментально. Мы не можем задать вопрос о том, какая поляризация у этого фотона.
Комплект телепортации
Фото: Science Museum / Globallookpress.com
В чем же заключается идея квантовой криптографии? Предположим, Алиса посылает Бобу фотон, который она кодирует либо горизонтально-вертикальным образом, либо диагональным. Боб тоже подбрасывает монетку, решая случайным образом, каким будет его базис: горизонтально-вертикальным или диагональным. Если их способы кодировки совпадут — Боб получит данные, которые послала Алиса, если же нет — то какую-то ерунду. Они проводят эту операцию много тысяч раз, а потом «созваниваются» по открытому каналу и сообщают друг другу, в каких базисах совершали передачу, — можно считать, что эта информация теперь доступна кому угодно. Далее Боб и Алиса смогут отсеять события, в которых базисы были разные, и оставить те, в которых они были одинаковые (их будет примерно половина).
Допустим, в линию вклинился какой-то шпион, желающий подслушать сообщения, но ему тоже необходимо измерять информацию в каком-то базисе. Представим, что у Алисы и Боба он совпал, а у шпиона — нет. В ситуации, когда данные были посланы в горизонтально-вертикальном базисе, а подслушивающий измерил передачу в диагональном, он получит случайное значение и перешлет дальше какой-то произвольный фотон Бобу, так как не знает, каким он должен быть. Таким образом, его вмешательство будет замечено.
Самая главная проблема квантовой криптографии — это потери. Даже самое лучшее и современное оптоволокно дает 50 процентов потерь на каждые 10-12 километров кабеля. Допустим, мы посылаем наш секретный ключ из Москвы в Петербург — на 750 километров, и только один из миллиарда миллиардов фотонов достигнет цели. Все это делает технологию совершенно непрактичной. Именно поэтому современная квантовая криптография работает только на расстоянии примерно 100 километров. Теоретически известно, как эту проблему решить, — с помощью квантовых повторителей, но для их реализации нужна квантовая телепортация.
Оптоволокно в приближении
Фото: Perry Mastrovito / Globallookpress.com
Научное определение квантовой запутанности — это делокализованное состояние суперпозиции. Звучит сложно, но можно привести простой пример. Предположим, у нас есть два фотона: горизонтальный и вертикальный, квантовые состояния которых взаимозависимы. Один из них мы посылаем Алисе, а другой — Бобу, которые делают измерения на поляризационном светоделителе.
Когда эти измерения совершаются в обычном горизонтально-вертикальном базисе, понятно, что результат будет скоррелирован. Если Алиса заметила горизонтальный фотон, то второй, естественно, будет вертикальным, и наоборот. Это можно представить проще: у нас есть синий и красный шарик, мы не глядя запечатываем каждый из них в конверт и посылаем двум получателям — если одному придет красный, второй обязательно получит синий.
Но в случае квантовой запутанности этим дело не ограничивается. Эта корреляция имеет место не только в горизонтально-вертикальном базисе, но и в любом другом. Например, если Алиса и Боб одновременно повернут свои светоделители на 45 градусов, у них опять будет полное совпадение.
Это очень странное квантовое явление. Допустим, Алиса повернула каким-то образом свой светоделитель и обнаружила какой-то фотон с поляризацией α, который прошел через него. Если Боб измерит свой фотон в том же самом базисе, он обнаружит поляризацию 90 градусов +α.
Итак, в начале мы имеем состояние запутанности: фотон Алисы полностью неопределен и фотон Боба полностью неопределен. Когда Алиса измерила свой фотон, обнаружила какое-то значение, то теперь известно точно, какой фотон у Боба, как бы далеко он ни находился. Этот эффект многократно подтвержден экспериментами, это не фантазия.
Допустим, у Алисы есть некий фотон с поляризацией α, которую она еще не знает, то есть находящийся в неизвестном состоянии. Между ней и Бобом нет прямого канала. Если бы канал был, то Алиса смогла бы зарегистрировать состояние фотона и донести эту информацию до Боба. Но квантовое состояние за одно измерение узнать невозможно, поэтому такой способ не годится. Однако между Алисой и Бобом есть заранее приготовленная запутанная пара фотонов. За счет этого можно заставить фотон Боба принять первоначальное состояние фотона Алисы, «созвонившись» потом по условной телефонной линии.
Вот классический (хотя и очень отдаленный аналог) всего этого. Алиса и Боб получают в конверте по шарику — синий или красный. Алиса хочет послать Бобу информацию о том, какой у нее. Для этого ей нужно, «созвонившись» с Бобом, сравнить шарики, сказав ему «у меня такой же» или «у нас разные». Если кто-то подслушивает эту линию, то это не поможет ему узнать их цвет.
Кадр из фильма «Звездный путь»
Таким образом, существуют четыре варианта исхода событий (условно, у получателей синие шарики, красные шарики, красный и синий или синий и красный — прим. «Ленты.ру»). Они интересны тем, что образуют базис. Если у нас есть два каких-то фотона с неизвестной поляризацией, то им можно «задать вопрос», в каком из этих состояний они находятся, и получить ответ. Но если хотя бы один из них окажется запутан с каким-то другим фотоном, то произойдет эффект удаленного приготовления, и третий, удаленный фотон «приготовится» в определенном состоянии. На этом и основана квантовая телепортация.
Как это все работает? У нас есть запутанное состояние и фотон, который мы хотим телепортировать. Алиса должна произвести соответствующее измерение исходного телепортированного фотона и задать вопрос, в каком состоянии находится другой. Случайным образом она получает один из четырех возможных ответов. В результате эффекта дистанционного приготовления оказывается, что после этого измерения в зависимости от результата фотон Боба перешел в определенное состояние. До этого он был запутан с фотоном Алисы, пребывая в неопределенном состоянии.
Алиса сообщает Бобу по телефону, каким был результат ее измерений. Если ее результат, допустим, оказался ψ-, то Боб знает, что его фотон автоматически преобразовался в это состояние. Если же Алиса сообщила, что ее измерение дало результат ψ+, то фотон Боба принял поляризацию -α. В конце эксперимента по телепортации у Боба оказывается копия первоначального фотона Алисы, а ее фотон и информация о нем в процессе разрушаются.
Сейчас мы умеем телепортировать поляризацию фотонов и некоторые состояния атомов. Но когда пишут, мол, ученые научились телепортировать атомы — это обман, ведь у атомов очень много квантовых состояний, бесконечное множество. В лучшем случае мы придумали, как телепортировать пару из них.
Мой любимый вопрос — когда будет телепортация человека? Ответ — никогда. Допустим, у нас есть капитан Пикард из сериала «Звездный путь», которого нужно телепортировать на поверхность планеты с корабля. Для этого, как нам уже известно, нужно сделать еще пару таких же Пикардов, привести их в запутанное состояние, которое включает все его возможные состояния (трезвого, пьяного, спящего, курящего — абсолютно все) и провести измерения на обоих. Понятно, насколько это сложно и нереализуемо.
Квантовая телепортация — это интересное, но лабораторное явление. До телепортации живых существ дело не дойдет (по крайней мере, в ближайшем будущем). Однако его можно использовать на практике для создания квантовых повторителей, для передачи информации на далекие расстояния.
lenta.ru
