Квантовая телепортация: гигантский шаг в неизвестном направлении. Квантовая телепортация что это такое
Квантовая телепортация | Мир Знаний
Телепортация живого существа — хороший пример технологии, теоретически допустимой, но практически, видимо, неосуществимой никогда. Но если речь идет о тепепортации, то есть мгновенном перемещении из одного места в другое небольших предметов, а тем более частиц, она вполне возможна. Чтобы упростить задачу, начнем с простого — частиц.
Кажется, нам понадобятся аппараты, которые (1) полностью пронаблюдают состояние частицы, (2) передадут это состояние быстрее скорости света, (3) восстановят оригинал. Однако в такой схеме даже первый шаг полностью реализовать невозможно. Принцип неопределенности Гейзенберга накладывает непреодолимые ограничения на точность, с которой могут быть измерены «парные» параметры частицы. Например, чем лучше мы знаем ее импульс, тем хуже — координату, и наоборот. Однако важной особенностью квантовой телепортации является то, что, собственно, измерять частицы и не надо, как не надо ничего и восстанавливать — достаточно получить пару спутанных частиц.
Например, для приготовления таких спутанных фотонов нам понадобится осветить нелинейный кристалл лазерным излучением определенной волны. Тогда некоторые из входящих фотонов распадутся на два спутанных — необъяснимым образом связанных, так что любое изменение состояния одного моментально сказывается на состоянии другого. Эта связь действительно необъяснима: механизмы квантовой спутанности остаются неизвестны, хотя само явление демонстрировалось и демонстрируется постоянно. Но это такое явление, запутаться в котором в самом деле легко — достаточно добавить, что до измерения ни одна из этих частиц не имеет нужной характеристики, при этом какой бы результат мы ни получили, измерив первую, состояние второй странным образом будет коррелировать с нашим результатом.
Механизм квантовой телепортации, предложенный в 1993 году Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассардом, требует добавить к паре запутанных частиц всего одного дополнительного участника — собственно, того, кого мы собираемся телепортировать. Отправителей и получателей принято называть Алисой и Бобом, и мы последуем этой традиции, вручив каждому из них по одному из спутанных фотонов. Как только они разойдутся на приличное расстояние и Алиса решит начать телепортацию, она берет нужный фотон и измеряет его состояние совместно с состоянием первого из спутанных фотонов. Неопределенная волновая функция этого фотона коллапсирует и моментально отзывается во втором спутанном фотоне Боба.
К сожалению, Боб не знает, как именно его фотон реагирует на поведение фотона Алисы: чтобы понять это, ему надо дождаться, пока она пришлет результаты своих измерений обычной почтой, не быстрее скорости света. Поэтому никакую информацию передать по такому каналу не получится, но факт останется фактом. Мы телепортировали состояние одного фотона. Чтобы перейти к человеку, остается масштабировать технологию, охватив каждую частицу из всего лишь 7000 триллионов триллионов атомов нашего тела, — думается, от этого прорыва нас отделяет не более, чем вечность.
Однако квантовая телепортация и спутанность остаются одними из самых «горячих» тем современной физики. Прежде всего потому, что использование таких каналов связи обещает невзламываемую защиту передаваемых данных: чтобы получить доступ к ним, злоумышленникам понадобится завладеть не только письмом от Алисы к Бобу, но и доступом к спутанной частице Боба, и даже если им удастся до нее добраться и проделать измерения, это навсегда изменит состояние фотона и будет сразу же раскрыто.
mir-znaniy.com
Что такое квантовая телепортация? Отвечает физик — Рамблер/новости
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.
Это неполный текст новости
Читайте также
news.rambler.ru
гигантский шаг в неизвестном направлении
Возможность телепортации является одной из наиболее горячо обсуждаемых паранормальных и паранаучных проблем. Тем более, что она опирается сразу и на фантастические мистические представления, и на определённые научные достижения. Однако различные сообщения о том, что телепортация вот-вот будет достигнута на практике, являются лишь недобросовестным использованием информации о квантовой телепортации. Квантовая телепортация – это реальное физическое явление, вот только к телепортации из теорий мистиков и произведений фантастов она имеет лишь косвенное отношение.
Без Эйнштейна не обошлось
Практика телепортации предполагает передачу материи из одной точки пространства в другую без наличия непрерывной траектории движения. То есть невозможно проследить непрерывающуюся последовательность нахождения вещества в определённой точке в каждый последующий момент времени. Тем самым материя на время как бы исчезает, чтобы затем появиться уже в совсем другом месте. Ничего подобного в случае с квантовой телепортацией, конечно, не происходит. Она связана с особенными свойствами квантов и была впервые сформулирована на теоретическом уровне в 1930-е годы знаменитым Альбертом Эйнштейном.
Он предположил, что между двумя частицами может существовать канал связи из так называемых спутанных квантов, по которому возможна передача свойств от одной элементарной частицы к другой. Физически элементарные частицы при этом между собой не соприкасаются, то есть не контактируют. Свойство одной частицы отправляется через квант, при этом в точке отправления это свойство разрушается и исчезает, частица-отправитель этого свойства лишается. В свою очередь, на другой частице это свойство появляется, будучи «переправленным» через спутанные кванты. Ни энергия, ни сама материя при этом между частицами не «перепрыгивают», а скорость передачи свойств не превышает скорость света в вакууме. Таким образом, никакие физические законы не нарушаются и о реальной телепортации говорить нельзя. Характерно, что Эйнштейн не верил в практическую осуществимость даже этой своей теоретической модели, считая квантовую телепортацию следствием противоречивости самой квантовой теории.
Реализация на практике
Квантовая телепортация, известная также как ЭПР-эффект (названный так по фамилиям соавторов теоретической работы по данной теме – Эйнштейна, Подольского, Розена), считалась сугубо умозрительной на протяжении почти полувека. Но в 1980 году существования данного эффекта было подтверждено экспериментально. Была осуществлена так называемая телепортация фотонов, то есть передача свойств с одного фотона на другой. Первоначально учёные не могли найти объяснения такому явлению, которое противоречило законам физики. Однако затем вспомнили о сформулированном Эйнштейном и его коллегами принципе квантовой телепортации – и всё встало на свои места.
Причём особенность квантовой телепортации заключалась в возможности передачи свойств между элементарными частицами на значительные расстояния. Но одновременно выявились и различные сложности. Так, очень быстро выяснилось, что квантовая телепортация имеет характерные для любого канала связи ограничения – скорость передачи информации не может превышать максимальной скорости, доступной для данного конкретного канала. В лучшем случае она будет приближаться к скорости света в вакууме. К тому же квантовая телепортация не имела ничего общего с «классической» телепортацией, знакомой по фантастическим романам. Подобная передача энергии и материи из одной точки в другую по-прежнему не представляется возможной. Так что энтузиастам, жаждущим осуществления телепортации человека, придётся подождать. Очень может быть, что подождать бесконечно долго: даже при обнаружении способа телепортации материи сложно представить возможность телепортирования разумных существ и воссоздания на новом месте полноценного механизма сознания.
Эксперименты двигают науку
Квантовая телепортация получила широкое освещение в прессе в связи с последними достижениями в этом направлении японских учёных. В ходе различных экспериментов ими были достигнуты впечатляющие результаты. В первом случае опыт оказался весьма эффектным: исследователи смогли «телепортировать» квант света. По сути, это телепортация фотона – свет «разложили» по отдельным частицам-фотонам и с помощью канала связи спутанных квантов перенесли их в другую точку пространства, где снова собрали в световой пучок. Во втором случае была достигнута первая квантовая телепортация не между двумя, а между тремя фотонами. С точки зрения практических научных технологий это настоящий прорыв, открывающий реальные перспективы создания квантовых компьютеров. Эти компьютеры будут на порядки производительнее в скорости обработки данных, а также в их суммарном объёме.
Но японские эксперименты с квантовой телепортацией отнюдь не единственные, работа в этом направлении ведётся уже несколько десятилетий, но особенно активно в последние годы. Так, в 2004 году были осуществлены успешные опыты квантовой телепортации уже не между фотонами, а между атомами – в первом случае свойствами обменивались ионы атома кальция, во втором – ионы атома бериллия. В 2006 году квантовая телепортация была проведена между двумя разноприродными объектами, между атомами цезия, с одной стороны, и квантами лазерного излучения, с другой. С 2010 по 2012 годы учёные последовательно ставили впечатляющие рекорды расстояния квантовой телепортации: сначала в Китае свойства между фотонами были переданы на 16 километров, затем в Поднебесной достижение было увеличено до 97 километров, а после в Австрии исследователи добились телепортации на 143 километра.
Александр Бабицкий
Статьи по теме
www.chuchotezvous.ru
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 обоих 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.
Другие статьи:
nlo-mir.ru
Квантовая телепортация: Туннель - Интересное - Каталог статей
Такую машину-телепорт построили в фильме «Контакт». С ее помощью героиня Джоди Фостер совершила путешествие в другой мир, а может – и нет…
Основы
Почему телепортация именно квантовая? Дело в том, что квантовые объекты (элементарные частицы или атомы) обладают специфическими свойствами, которые обусловлены законами квантового мира и в макромире не наблюдаются. Именно такие свойства частиц и послужили основой экспериментов по телепортации.
ЭПР-парадокс
В период активного развития квантовой теории, в 1935 году, в знаменитой работе Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена «Может ли квантово-механическое описание реальности быть полным?» был сформулирован так называемый ЭПР-парадокс (парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена).
Авторы показали, что из квантовой теории следует: если есть две частицы A и B с общим прошлым (разлетевшиеся после столкновения или образовавшиеся при распаде некоторой частицы), то состояние частицы B зависит от состояния частицы A и эта зависимость должна проявляться мгновенно и на любом расстоянии. Такие частицы называют ЭПР-парой и говорят, что они находятся в «запутанном» состоянии.
Прежде всего напомним, что в квантовом мире частица – это объект вероятностный, то есть она может находиться в нескольких состояниях одновременно – например, может быть не просто «черной» или «белой», а «серой». Однако при измерении такой частицы мы всегда увидим только одно из возможных состояний – «черное» или «белое», причем с определенной предсказуемой вероятностью, а все остальные состояния при этом разрушатся. Более того, из двух квантовых частиц можно создать такое «запутанное» состояние, что все будет еще интереснее: если одна из них окажется при измерении «черной», то другая – непременно «белой», и наоборот!
Чтобы разобраться, в чем же заключается парадокс, сначала проведем опыт с макроскопическими объектами. Возьмем два ящика, в каждом из которых лежат по два шара – черный и белый. И отвезем один из этих ящиков на Северный полюс, а другой на Южный.
Если мы вынем на Южном полюсе один из шаров (например, черный), то это никак не повлияет на результат выбора на Северном полюсе. Совершенно не обязательно, что там нам в этом случае попадется именно белый шар. Этот простой пример подтверждает, что наблюдать ЭПР-парадокс в нашем мире невозможно.
Но в 1980 году Алан Аспект экспериментально показал, что в квантовом мире ЭПР-парадокс действительно имеет место. Специальные измерения состояния ЭПР-частиц A и B показали, что ЭПР-пара не просто связана общим прошлым, но частица B каким-то образом мгновенно «узнает» о том, как была измерена частица A (какую ее характеристику измеряли) и какой получился результат. Если бы речь шла об упомянутых выше ящиках с четырьмя шарами, то это означало бы, что вынув на Южном полюсе черный шар, на Северном полюсе мы непременно должны вынуть белый! Но ведь взаимодействия между A и B нет и сверхсветовая передача сигнала невозможна! В последующих экспериментах существование ЭПР-парадокса подтверждалось, даже если частицы ЭПР-пары были удалены друг от друга на расстояние порядка 10 км.
Эти совершенно невероятные с точки зрения нашей интуиции опыты легко объясняются квантовой теорией. Ведь ЭПР-пара как раз представляет собой две частицы в «запутанном» состоянии, а значит, результат измерения, например, частицы A определяет результат измерения частицы B.
Интересно, что Эйнштейн считал им же предсказанное поведение частиц в ЭПР-парах «действием демонов на расстоянии» и был уверен, что ЭПР-парадокс лишний раз демонстрирует несостоятельность квантовой механики, которую ученый отказывался принимать. Он полагал, что объяснение парадокса неубедительно, ведь «если согласно квантовой теории наблюдатель создает или может частично создавать наблюдаемое, то мышь может переделать Вселенную, просто посмотрев на нее».
Эксперименты по телепортации
В 1993 году Чарльз Беннет и его коллеги придумали, как можно использовать замечательные свойства ЭПР-пар: они изобрели способ переноса квантового состояния объекта на другой квантовый объект с помощью ЭПР-пары и назвали этот способ квантовой телепортацией. А в 1997 году группа экспериментаторов под руководством Антона Цайлингера впервые осуществила квантовую телепортацию состояния фотона. Схема телепортации подробно описана на врезке.
Ограничения и разочарования
Принципиально важно, что квантовая телепортация – это перенос не объекта, а только неизвестного квантового состояния одного объекта на другой квантовый объект. Мало того, что квантовое состояние телепортируемого объекта так и остается для нас тайной, оно к тому же необратимо разрушается. Но в чем мы можем быть совершенно уверены, так это в том, что получили идентичное состояние другого объекта в другом месте.
Тех, кто рассчитывал, что телепортация будет мгновенной, ждет разочарование. В способе Беннета для успешной телепортации необходим классический канал связи, а значит, и скорость телепортации не может превышать скорость передачи данных по обычному каналу.
И пока совершенно неизвестно, удастся ли перейти от телепортации состояний частиц и атомов к телепортации макроскопических объектов.
Применение
Практическое применение для квантовой телепортации нашлось быстро – это квантовые компьютеры, где информация хранится в виде набора квантовых состояний. Тут квантовая телепортация оказалась идеальным способом передачи данных, который принципиально исключает возможность перехвата и копирования передаваемой информации.
Дойдет ли очередь до человека?
Несмотря на все современные достижения в области квантовой телепортации, перспективы телепортации человека остаются весьма туманными. Конечно, хочется верить, что ученые что-нибудь придумают. Еще в 1966 году в книге «Сумма технологии» Станислав Лем писал: «Если нам удастся синтезировать из атомов Наполеона (при условии, что в нашем распоряжении имеется его «поатомная опись»), то Наполеон будет живым человеком. Если снять подобную опись с любого человека и передать ее «по телеграфу» на приемное устройство, аппаратура которого на основе принятой информации воссоздаст тело и мозг этого человека, то он выйдет из приемного устройства живым и здоровым».
Однако практика в этом случае намного сложнее теории. Так что нам с вами вряд ли придется попутешествовать по мирам с помощью телепортации, а тем более – с гарантированной безопасностью, ведь достаточно одной ошибки и можно превратиться в бессмысленный набор атомов.
Вот опытный галактический инспектор из романа Клиффорда Саймака знает в этом толк и не зря считает, что «те, кто берется за передачу материи на расстояние, должны бы прежде научиться делать это как положено».
www.21nn.ru
Квантовая телепортация
Все изменилось в 1993 г., когда ученые из IBM под руководством Чарльза Беннетта продемонстрировали всем принципиальную возможность телепортировать с использованием эксперимента ЭПР материальные объекты, по крайней мере на атомном уровне. (Точнее говоря, они продемонстрировали возможность передачи полной информации о частице.) За прошедшие годы физики научились передавать фотоны и даже целые атомы цезия. Возможно, через несколько десятилетий ученые смогут телепортировать первую молекулу ДНК и первый вирус.
Квантовая телепортация использует одну из самых причудливых особенностей эксперимента ЭПР. В своих экспериментах физики начинают с того, что берут два атома, А и С. Предположим, мы хотим телепортировать информацию от атома А к атому С. Для этого мы вводим третий атом В, запутанный с атомом С (т.е. В и С когерентны). Затем атом А вступает в контакт с атомом В и «сканирует» его таким образом, что информационное содержание атома А передается атому В. В ходе этого процесса атомы А и В запутываются. Но поскольку первоначально В был запутан с атомом С, теперь информация, содержавшаяся в А, передается также и в атом С. Результат таков: атом А был телепортирован в атом С, т. е. теперь информационное содержание А идентично информационному содержанию С.
Обратите внимание на то, что информация, содержавшаяся перед началом эксперимента в атоме А, была уничтожена (т.е. после эксперимента мы не получаем двух идентичных копий). Это означает, что если представить себе телепортацию человека, то человек этот должен будет умереть в процессе передачи. Но зато информационное содержание его тела появится где-то в другом месте. Обратите внимание также на то, что атом А как таковой не переместился на позицию атома С. Напротив, С получил от А только информацию, которая в нем содержалась, например характеристики спина и поляризации. (Это не означает, что атом А был разобран и перенесен на другое место. Это означает, что информационное содержание атома А было передано другому атому — С.)
После первого объявления о прорыве между разными группами ученых началось яростное соревнование. Первая историческая демонстрация, в ходе которой осуществлялась телепортация фотонов ультрафиолетового света, состоялась в 1997 г. в Университете Инсбрука. Через год экспериментаторы из Калифорнийского технологического института провели еще более точный эксперимент по телепортации фотонов.
В 2004 г. физики Венского университета сумели телепортировать частицы света на расстояние 600 м под рекой Дунай по оптоволоконному кабелю, установив таким образом новый рекорд. (Сам кабель имел длину 800 м и был протянут под Дунаем ниже системы городской канализации. Передатчик располагался на одном берегу реки, приемник — на другом.)
Одно из возражений, которые выдвигают критики этих экспериментов, заключается в том, что ученые работают с частицами света, фотонами. Пока результат «не тянет» на научную фантастику. Поэтому очень важным стал другой эксперимент 2004 г., когда квантовую телепортацию удалось продемонстрировать уже не на фотонах, а на настоящих атомах. Это шаг в нужном направлении, к созданию реального телепортационного устройства. Физики из Национального института стандартов и технологии в Вашингтоне сумели «запутать» три атома бериллия и передать свойства одного атома другому. Достижение было настолько значительным, что попало на обложку журнала Nature. Другая группа тоже добилась успеха, но уже с атомами кальция.
В 2006 г. произошло еще одно значительное событие: впервые в подобных экспериментах был задействован макроскопический объект. Физики из Института Нильса Бора в Копенгагене и Института Макса Планка в Германии сумели запутать луч света и газ, состоящий из атомов цезия; в этом событии участвовали многие триллионы атомов. После этого они закодировали информацию, содержащуюся в лазерных вспышках, и телепортировали ее атомам цезия через расстояние примерно в полметра. Как пояснил один из исследователей Евгений Ползик, впервые была проведена квантовая телепортация «между светом — носителем информации — и атомами».
Телепортация без запутывания
Исследования в области телепортации стремительно набирают ход. В 2007 г. было сделано еще одно важное открытие. Физики предложили метод телепортации, не требующий запутывания. Вспомним, что запутывание представляет собой наиболее сложный момент квантовой телепортации. Решение этой проблемы могло бы открыть перед телепортацией новые горизонты.
«Речь идет о луче из примерно 5000 частиц, который исчезает в одном месте и появляется в другом», — говорит физик Астон Брэдли из Центра квантовой атомной оптики в Брисбене при Австралийском совете по исследованиям — один из участников разработки нового метода телепортации.
«Мы считаем, что по духу наша схема ближе к первоначальной фантастической концепции», — заявляет он. Суть подхода группы Брэдли в том, что ученые берут пучок атомов рубидия, переводят всю его информацию в луч света, посылают этот луч по оптоволоконному кабелю, а затем воссоздают первоначальный пучок атомов в другом месте. Если заявленные результаты подтвердятся, то будет устранено главное препятствие к реальной телепортации и открыты совершенно новые пути передачи на расстояние все более крупных объектов.
Чтобы новый метод не путали с квантовой телепортацией, доктор Брэдли назвал его классической телепортацией. (Название это отчасти вводит в заблуждение, потому что его метод также опирается на квантовую теорию, но не на запутывание.)
Ключевым моментом этого нового типа телепортации является открытое недавно новое состояние вещества, известное как «конденсат Бозе-Эйнштейна», или КБЭ, которое представляет собой одну из самых холодных субстанций во всей Вселенной.
В природе самую низкую температуру можно обнаружить в открытом космосе; она составляет З К, т. е. на три градуса выше абсолютного нуля. (Это благодаря остаточной теплоте Большого взрыва, которая до сих пор заполняет Вселенную.) Но КБЭ существует при температуре от одной миллионной до одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля; такую температуру можно получить только в лаборатории.
При охлаждении некоторых форм вещества почти до абсолютного нуля их атомы (все без исключения) сваливаются на самый низкий энергетический уровень и начинают вибрировать в унисон, т. е. становятся когерентными. Волновые функции всех атомов перекрываются, поэтому в каком-то смысле КБЭ напоминает гигантский «сверхатом», причем все составляющие его отдельные атомы колеблются в унисон. Существование этого необычного состояния вещества предсказали Эйнштейн и Шатьендранат Бозе еще в 1925 г., но прошло 70 лет, прежде чем в 1995 г. КБЭ был наконец получен в лабораториях Массачусетского технологического института и Университета Колорадо.
Вот как работает телепортационное устройство Брэдли и его команды. Начинается все с набора суперхолодных атомов рубидия в состоянии КБЭ. Затем на КБЭ направляют пучок атомов (все того же рубидия). Атомы пучка также стремятся перейти в состояние с самой низкой энергией, поэтому они сбрасывают излишки энергии в виде квантов света. Полученный таким образом световой луч посылают по оптоволоконному кабелю. Примечательно, что этот луч содержит всю квантовую информацию, необходимую для описания первоначального пучка вещества (т. е. информацию о расположении и скорости всех его атомов). Пройдя по кабелю, световой луч попадает в уже другой КБЭ, который превращает его в первоначальный поток вещества.
Этот новый метод телепортации ученые считают чрезвычайно многообещающим, так как в нем не задействована запутанность атомов. Но у этого метода есть свои проблемы. Он очень жестко определяется свойствами конденсата Бозе-Эйнштейна, который чрезвычайно сложно получить в лаборатории. Более того, КБЭ обладает достаточно необычными свойствами и в некоторых отношениях ведет себя как один гигантский атом. Необычные квантовые эффекты, которые можно наблюдать только на атомном уровне, в КБЭ в принципе можно увидеть невооруженным глазом. Когда-то это считалось невозможным.
Ближайшее практическое приложение КБЭ — создание атомных лазеров. Разумеется, основой лазера служит когерентный пучок фотонов, которые колеблются в унисон. Но ведь КБЭ представляет собой набор атомов, которые тоже колеблются в унисон; отсюда возможность создать поток когерентных КБЭ-атомов. Другими словами, КБЭ может стать основой для устройств, аналогичных обычным лазерам: это атомные, или вещественные, лазеры, которые сделаны из КБЭ-атомов. В настоящее время лазеры имеют широчайшее применение в обычной жизни, и атомные лазеры, возможно, войдут в нашу жизнь не менее глубоко. Но так как КБЭ может существовать только при температурах, едва-едва превышающих абсолютный нуль, прогресс в этой области наверняка будет медленным, хотя и уверенным.
Можем ли мы сказать с учетом всего уже достигнутого, когда мы сами получим возможность телепортироваться? В ближайшие годы физики надеются телепортировать сложные молекулы. После этого несколько десятилетий наверняка уйдет на разработку способа телепортации ДНК или, может быть, какого-нибудь вируса. Против телепортации человека — в точности как в фантастических фильмах — также нет никаких принципиальных возражений, но технические проблемы, которые надо преодолеть на пути к подобному достижению, поражают воображение. Пока для того, чтобы добиться когерентности крошечных световых фотонов и отдельных атомов, требуются усилия лучших физических лабораторий мира. О квантовой когерентности с участием реальных макроскопических объектов, таких как человек, речь пока не идет и еще долго идти не будет. Скорее всего, пройдет немало столетий, прежде чем мы сможем телепортировать обычные предметы, если это вообще возможно.
Интересная статья? Поделись ей с другими:
Комментировать материалы сайта могут только зарегистрированные пользователи. Зарегистрируйтесь пожалуйста для полноценной роботы с сайтом.Спасибо!
quantum-tech.ru
Квантовая телепортация, квантовый компьютер | Вместе с нами
Еще недавно термин «квантовая телепортация» был известен лишь узкому кругу ученых. В октябре 2012 года Серж Арош и Дэвид Уайнленд получили Нобелевскую премию по физике – за создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами. Мы почти подобрали ключик к закрытой двери, за которой нас ждут качественно новые открытия.
Свойства объекта
Мгновенное перемещение материи на любое расстояние – давняя мечта человечества. Хотя сам термин “квантовая телепортация” появился относительно недавно (его в 1931 году придумал американский писатель Чарльз Форт), идея телепортации существует с древнейших времён. К примеру, в известной сказке про Аладдина джинн умел не только телепортироваться из Персии в Ифракию, но и переносить с собой дворец со всем его содержимым.
С точки зрения физики идея телепортации в таком виде совершенно нелепа, так как в соответствии с теорией относительности скорость выше световой невозможна. Если же говорить о переносе не материи, а содержащейся в ней информации, то телепортация в определенном смысле действительно осуществима. Приведем простой пример. Допустим, у вас и у вашего знакомого есть по одинаковой флешке. Если он пришлет вам файлы со своей флешки, а вы запишете их на свою, то у вас в руках будет точная копия его флешки. Материя при этом никуда не переносится.
Дэвид Уайнленд“Однако копия не будет совсем точной, – говорит профессор физического факультета Университета Калгари, член Научного комитета Российского квантового центра Александр Львовский. – Если посмотреть на ячейки памяти под электронным микроскопом, то мы заметим разницу в их строении. Точная передача всей информации, содержащейся в материи на микроскопическом уровне, то есть квантового состояния материи, – это более сложная задача. Её и решает квантовая телепортация”.
Французский ученый Серж Арош и его американский коллега Дэвид Уайнленд независимо друг от друга открыли экспериментальные методы измерения индивидуальных квантовых системВ отличие от мгновенного перемещения предметов, популярного в научной фантастике, при квантовой телепортации речь идет не о переносе квантового объекта (частицы) как такового, а о более тонком процессе – переносе свойств (состояния) этого объекта. И хотя в таком случае физического перемещения не происходит, в итоге все же получается «дубликат» со всеми свойствами начальной частицы.
В 1993 году ученые из разных стран обосновали в теории, как можно передавать квантовую информацию из одной точки в другую, не пересекая при этом промежуточное пространство. Эту технику исследователи и назвали телепортацией.
Для пересылки информации ученые предлагали использовать свойство квантовой запутанности (ее еще называют перепутанностью или сцепленностью) – когда две частицы словно живут одной жизнью, а связь между ними столь тесна, что даже измерение одной из них тут же изменяет квантовую информацию, записанную во второй частице, вне зависимости от расстояния, на котором они находятся друг от друга.
Перепутанные частицы света – фотоны – можно получить в процессе спонтанного параметрического рассеяния: один фотон падающего света в нелинейном кристалле может преобразоваться в пару фотонов рассеянного излучения, находящихся в едином квантовом состоянии. 
Первые успешные эксперименты по телепортации поляризационного состояния фотона были проведены в 1997 году физиками из Инсбрукского и Римского университетов. Расстояние, на которое происходила телепортация, составляло лишь около 1 метра, а вероятность успешной передачи была ничтожно мала. И учёные со всего мира включились в гонку по улучшению этой технологии.
В 1998 году группа ученых из Калифорнийского технологического института, в которую входил наш бывший соотечественник Евгений Ползик, провела первый в истории эксперимент по телепортации произвольных (не только однофотонных) квантовых состояний света.
В 2001 году австрийским учёным удалось телепортировать состояние фотона уже на 10 километров, а три года спустя вместе с коллегами из американского Национального института стандартов и технологий они телепортировали квантовые состояния ионов кальция и бериллия. В 2006-м группа Ползика осуществила перенос состояния света в другую физическую среду – пары рубидия. Ученые переместили информацию, закодированную в лазерном луче, в скопление атомов металла, тем самым доказав возможность телепортации между объектами разной природы – светом и материей.
Недавно процесс передачи впервые провели через атмосферу на расстояние 97 километров, между двумя берегами китайского озера Цинхай (Кукунор). Этот прорыв, благодаря высокоточной системе наведения и настройки на цель, совершила группа китайских ученых.
Но лидерами светила науки Поднебесной оставались недолго.
Процесс телепортации между Канарскими островами стал всего лишь второй попыткой передачи информации о квантовом состоянии на большое расстояние без применения оптоволоконного каналаВесной 2012 года международный коллектив под руководством австрийского физика Антона Цайлингера, одного из авторов первых экспериментов по квантовой телепортации, произвел оптическую телепортацию между Канарскими островами Ла-Пальма и Тенерифе над водами Атлантического океана – на 143 километра, и пока этот рекорд никем не побит.
Подслушать фотоны
Сегодня квантовая телепортация – одно из самых перспективных направлений науки. Выдающиеся ученые 40 стран мира и целые лаборатории занимаются его активным освоением. Какую пользу могут принести новые знания человечеству?
На практике основная надежда, связанная с эффектом телепортации (или близким к нему эффектом обмена перепутанными состояниями), состоит в квантовой коммуникации. Казалось бы, от передачи состояний микроскопических частиц пользы немного. Но у квантовой коммуникации есть преимущество перед всеми остальными каналами связи: она позволяет вести абсолютно безопасную передачу сигналов. Если злоумышленник попытается «подслушать» фотоны, несущие информацию по квантовому каналу, то он неизбежно будет замечен. Согласно фундаментальному закону квантовой физики, на котором основан такой метод защиты, как квантовая криптография, микроскопическое состояние материи нельзя измерить, не изменив его.
Именно это свойство можно использовать для безопасной передачи данных на большие расстояния, кодируя их в квантах света. В таком случае, если на пересылаемые данные кто-то посягнет, получатель обязательно это определит.
Эффект квантовой телепортации может быть использован не только при передаче закрытой информации, но и при создании элементов квантового процессора. «Сейчас активно разрабатывается применение квантовой телепортации в устройствах квантовых вычислений, когда разные элементы процессора не могут по каким-то причинам быть непосредственно соединены прямыми каналами связи», – рассказывает доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ Сергей Кулик. В разных странах проводится множество исследований, цель которых внедрить в широкую практику квантовый компьютер – гипотетическое устройство, использующее квантовые свойства материи для вычислений.
Предполагается, что он будет способен решать поставленные задачи в тысячи раз быстрее, чем его классический аналог. Данные в квантовом компьютере будут храниться на атомном уровне, а операции будут производиться с кубитами – квантовыми разрядами (а не с битами, как в обычном компьютере).
В лабораториях удалось создать квантовые «мини-компьютеры» в несколько кубитов. Перепутанные кубиты объединяют в себе больше состояний, чем удалось бы записать в тех же частицах по отдельности, поэтому вычисления можно будет одномоментно производить с колоссальными объемами данных.
В июне 2008 года Джефф Кимбл из Калифорнийского технологического института предложил концепцию квантового интернета, который, как считают, превзойдет по всем параметрам известные на сегодняшний день сети. По мнению Александра Львовского, квантовый интернет, скорее всего, превзойдёт классический лишь в некоторых аспектах – например, в безопасности. Что же касается скорости и особенно дешевизны, то классическим коммуникациям долго не будет равных. Поэтому основная доля информации будет по-прежнему передаваться по оптическим сетям.
Квантовый канал по скорости пока заметно уступает привычным нам способам передачи данных. Это происходит из-за того, что при пересылке информации задействуется традиционный канал. Любое нарушение процесса передачи считается подслушиванием, что автоматически ведет к сбросу и началу новой передачи, а значит, удлинению процесса.
«Никакого «мгновенного» переноса при квантовой телепортации не происходит – это противоречит принципам специальной теории относительности, – говорит Сергей Кулик. – На телепортацию требуется столько времени, сколько необходимо классическому сигналу при распространении из одной пространственной точки в другую».
Как сохранить передачу?
В освоении квантовой телепортации учеными сделан большой рывок. По мнению профессора Кулика, именно телепортация состояний массивных частиц составляет прорыв в этой области. Другим техническим результатом, который постоянно совершенствуется, является увеличение расстояния, на которое телепортируется состояние квантового объекта.
Одно из основных достижений последнего времени – разработка эффективных методов генерации перепутанных состояний фотонов, лежащих в основе эффекта квантовой телепортации. Ведутся исследования новых возможностей генерации, преобразования и измерения этих состояний. Одна из приоритетных задач, которая стоит перед учеными, – научиться комбинировать квантовую телепортацию с квантовой памятью, чтобы телепортированное состояние можно было на некоторое время сохранить – как письмо в ящике «до востребования». Эта технология позволит создать так называемый квантовый повторитель, с помощью которого будет возможна квантовая коммуникация на реально далёких расстояниях – например, через океаны.
«Это, опять же, непросто, – комментирует Александр Львовский. – Дело в том, что передача квантовой информации осуществляется с помощью света, фотонов. Альтернативы этому пока нет. Поэтому мы должны научиться переносить квантовое состояние фотона на другие объекты – например, атомы».
Телепортировать состояния ионов и полностью записать состояние фотона на ион или атом – это разные вещи. Если первое на сегодняшний день – чисто умозрительный (хотя очень сложный и красивый) эксперимент, то второй эффект будет использован в элементах квантовой памяти. Хотя, несомненно, все это относится к одному и тому же кругу проблем, который можно назвать «взаимодействие индивидуальных квантовых объектов» или «взаимодействие единичных атомов и ионов с отдельными фотонами».
Чтобы ячейку квантовой оптической памяти можно было применять в линиях связи, она должна обладать двумя свойствами. Во-первых, считанная из ячейки квантовая информация должна быть максимально идентична той, которую в неё до этого записали. Во-вторых, чтобы квантовое состояние, хранясь в ячейке, оставалось неизменным в течение длительного времени. Ученым удалось выполнить каждое из этих требований по отдельности. Следующий шаг – совместить их в одном эксперименте.
Чтобы реализовать на практике эту задачу, потребуется от трех до пяти лет, прогнозирует профессор Львовский. Сейчас этим вопросом занимаются многие лаборатории мира, и вполне вероятно, что в ближайшие годы они добьются значительных успехов.
В своих исследованиях Алекс Кузмич для извлечения квантовой информации из группы атомов использует мощные лазерные импульсыНаши бывшие соотечественники внесли существенный вклад в развитие данного направления. В начале XXI века Михаил Лукин (теперь профессор физики в Гарварде) изобрёл метод сохранения информации, переносимой светом, который определил тенденции исследований квантовой памяти на годы вперёд. А профессор Технологического университета Джоржии Алекс Кузмич стал автором экспериментальных работ с рекордными показателями и по эффективности, и по длительности хранения оптической квантовой информации.
Другая важная задача, которую ставят перед собой специалисты, – это передача квантовой информации с Земли на спутники в космосе. Группа Антона Цайлингера планирует отправить на орбиту специальную лазерную установку, которая должна стать источником запутанных фотонов. Ученые намерены создать двунаправленный коммуникационный квантовый канал, задействовав установку на МКС и подобный ей аппарат на Земле.
В связи с активным изучением квантовой телепортации все чаще поднимается вопрос: возможна ли квантовая телепортация состояния человека? Одни исследователи выдвигают смелые предположения о реальности такой перспективы к концу этого века, другие называют подобные разговоры профанацией.
«Полная передача квантового состояния такого огромного и сложного объёма материи, которым является человек, представляется мне запредельно сложной задачей, – выражает свою точку зрения Александр Львовский. – Но, возможно, стоит подойти к этому вопросу по-другому. Сейчас многие говорят о переносе человеческого сознания в компьютер, о том, что разум человека вырастет из своей биологической оболочки и научится выбирать свой материальный носитель по собственному усмотрению».
Если эту мечту удастся реализовать, то «телепортация» человека будет мало отличаться от передачи компьютерного файла. Однако многое зависит от того, является ли человеческий мозг по своей сути гигантской вычислительной машиной (машиной Тьюринга, как говорят кибернетики) или чем-то более сложным. В первом случае для передачи информации, хранящейся в человеческом разуме, будет достаточно современных компьютерных сетей, конечно, усовершенствованных. Если же мозг представляет собой, скажем, квантовый компьютер, то без квантовой телепортации не обойтись. В любом случае, не будем забывать, что фантастика – это еще не сбывшаяся реальность.
Анна АкуличОпубликовано в журнале Discovery
vmestesnami.com
