Что такое квантовая телепортация? Что такое квантовая телепортация
Квантовая азбука: «Телепортация» | Нанотехнологии Nanonewsnet
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 телепортация — 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 С ТО 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.
Автор: Александр Ершов
www.nanonewsnet.ru
Что такое квантовая телепортация? Отвечает физик — ВИС РФ
В Китае собираются провести первую в мире квантовую телепортацию между космосом и землёй. Но что же такое квантовая телепортация?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.http://www.aif.ru/society/science/chto_takoe_kvantovaya_teleportaciya_otvechaet_fizik
visrf.ru
Что такое квантовая телепортация? | New-Best.com Самый простой поиск ответов на наилучшие вопросы
Квантовая телепортация — передача квантового состояния на растояние, с помощью распределённых сцепленных пар и традиционного канала связи, при которой начальное состояние разрушается. Термин «квантовая телепортация» был введен в 1993 году в статье Phys.Rev.Lett. 70, 1895—1899 (1993), где тщательно описано, какое конкретно явление предлагается так именовать и чем оно отличается от пользующегося популярностью в научной фантастике слова «телепортация». Квантовая телепортация не передаёт энергию либо материю на расстояние. Неотклонимым шагом при квантовой телепортации является передача материала по традиционному, неквантовому каналу, а это заранее не может происходить со сверхсветовой скоростью.
Описание опыта
Квантовая телепортация осуществляется за счёт разделения материала на «квантовую часть» и «классическую часть» и независящей передаче этих 2-ух компонент. Для передачи «квантовой части» употребляются соответствующие для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна-Подольского-Розена, а для передачи традиционной материала годится хоть какой обыденный канал связи.
Для простоты будем подразумевать физическую величину с 2-мя своими состояниями 1 и 2 (к примеру, проекцию спина электрона либо фотона на заданную ось).
Пусть у отправителя есть частичка А, находящаяся в случайном квантовом состоянии A = 1 + 2, и он желает передать это квантовое состояние получателю, т. е. сделать так, чтоб у получателя оказалась в распоряжении частичка B в том же самом состоянии. Другими словами, нужно передать два всеохватывающих числа 1 и 2 (с нескончаемой точностью). Заметим, что основная цель тут — это передать информацию не как есть возможность резвее, как есть возможность аккуратнее, гарантированно в отсутствие утрат и искажений. Для заслуги этой цели производятся последующие шаги.
1. Отправитель и получатель договариваются заблаговременно о разработке пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадёт отправителю, а B — получателю. Так как эти частички запутаны, то любая их их не обладает собственной волновой функцией, однако вся пара полностью описывается единой волновой функцией BC.
2. Когда отправитель получает частичку C, он имеет систему из 2-ух частиц A и C. Но до того, как над C совершены какие-либо действия, эти частички являются пока независящими. Волновая функция всей системы из трёх частиц есть произведение ABC.
3. Волновая функция ?A?BC имеет четыре собственных состояния. Потому, когда отправитель совершает измерение над системой из 2-ух частиц A и C, он с некой вероятностью получает одно из 4 собственных значений физической величины. Так как при всем этом измерении частичка C коллапсирует в некоторое новое состояние, то и запутанная с ней частичка B также коллапсирует в некое определённое состояние.
4. Как раз тогда происходит передача «квантовой части» материала. Отметим, что объём передаваемой при всем этом материала, равен объёму материала, запасённой в начальном состоянии, и может быть сколь угодно огромным. Но вернуть передаваемую информация пока нереально: получатель знает, что состояние частички B как-то связано с состоянием частички A, однако не знает как конкретно!
5. Для выяснения этого нужно, чтоб отправитель сказал получателю по обыкновенному традиционному каналу итог собственного измерения (затратив при всем этом два бита!). По законам квантовой механики выходит, что имея итог измерения, проведённого над парой частиц A и C и плюс к тому запутанную с C частичку B, получатель сумеет совершить нужное преобразование над состоянием частички B и вернуть начальное состояние частички A.
Полная передача материала осуществится только после того, как получатель будет владеть данными, приобретенными по обоим каналам. До того, как получен итог по традиционному каналу, получатель ничего не может сказать об начальном состоянии.
Перехватить передаваемую информацию в отсутствие ведома отправителя и получателя принципно нельзя. Дело в том, что в том случае «злоумышленник» попробует проследить за эволюцией запутанной пары B и C, то он здесь же разрушит её запутанность, что есть возможность будет просто отследить по неравенствам Белла.
В конце концов, обратим внимание, что начальное состояние частички A после всего произошедшего разрушается. Другими словами, состояние было не скопировано, а перенесено из 1-го места в другое. Данный факт тоже аналогичен фантастическому понятию телепортации.
Экспериментальная реализация
* Экспериментальная реализация квантовой телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена в 1998 году и описана в статье Phys.Rev.Lett. 80, 1121—1125 (1998).
* В журнальчике Nature за 17 июня 2004 года было объявлено об успешном экспериментальном наблюдении квантовой телепортации квантового состояния атома сходу 2-мя исследовательскими группами: M.Riebe et al., Nature 429, 734—737 (телепортация квантового состояния иона атома кальция) и M.D.Barrett et al., Nature 429, 737—739 (телепортация кубита на базе иона атома бериллия). Невзирая на поднявшуюся шумиху в средствах массовой материала, эти опыты навряд ли есть возможность именовать прорывом: быстрее это просто очередной большой шаг в направлении сотворения квантовых компов и реализации квантовой криптографии.
Источник материала Интернет-сайт Википедия.
Полезные ссылки:
Менский М.Б. Квантовая механика: новые опыты, новые приложения и новые формулировки старенькых вопросов
Курс «Современные задачки теоретической информатики»
Источник материала Интернет-сайт www.genon.ru
new-best.com
Что такое квантовая телепортация – Telegraph
Термин «квантовая телепортация» может вводить в заблуждение — в результате этого физического эффекта никакие частицы не перемещаются в пространстве. С помощью квантовой телепортации можно передать квантовое состояние одной частицы через две других, между которыми есть квантовая запутанность.
При этом «мгновенность» телепортации не означает, что передаваемая информация нарушает законы физики и преодолевает скорость света; протокол передачи информации требует также и традиционной коммуникации. В квантовой телепортации нет ни моментальности, ни физического перемещения, как в телепортации в научно-фантастических фильмах.
Протокол «квантовой телепортации» можно описать так: Алиса хочет передать квантовое состояние своей частицы Бобу, который находится на большом расстоянии от нее. Для этого у них должна быть пара заранее приготовленных квантово-запутанных частиц — одна у Боба, другая у Алисы.
Алиса берет частицу, состояние которой она хочет передать, и производит совместное измерение с запутанной частицой. Так она разрушает состояние обеих своих частиц и однозначно задает квантовое состояние запутанной частицы Боба. После этого, с помощью обычного канала связи (например, по телефону), Алиса сообщает результаты своего измерения Бобу.
Боб измеряет квантовое состояние своей частицы, и, так как знает, что ее состояние обратно состоянию запутанной частицы Алисы, «расшифровывает» состояние, которое изначально надо было передать.
Главное преимущество квантовой телепортации для коммуникаций заключается в том, что даже если злоумышленник перехватит разговор Алисы и Боба, без второй запутанной частицы это ему ничего не даст. Так квантовая телепортация обеспечивает полностью защищенную от взлома линию связи.
Что такое квантовая телепортация (и как ее можно использовать) слушайте в специальном выпуске «Теории Большой Бороды».
Подробнее о достижении Китая в квантовой телепортации.
telegra.ph
Квантовая телепортация
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.
Автор: ПостНаука
Источник
www.pvsm.ru
