Квантовая физика для чайников! Лучшие эксперименты. Квантовая телепортация для чайников
Квантовая телепортация для чайников — ЗапоВики
1
С точки зрения физики телепортировать танк из точки А в точку Б очень просто. Нужно взять танк в точке А, измерить все его элементы, сделать чертежи и отправить их в точку Б. Потом в точке Б по этим чертежам собрать такой же танк. Но с квантовыми объектами дело обстоит значительно сложнее.
Все в этом мире состоит из протонов, нейтронов и электронов, но все эти элементы по-разному собраны и по-разному движутся. Говоря научно, они находятся в разном квантовом состоянии. И даже если бы у нас была машина, которая могла бы манипулировать отдельными частицами: собирать из них атомы, из атомов молекулы, мы все равно не смогли бы телепортировать даже амебу. Дело в том, что у маленьких квантовых объектов нельзя одновременно измерить все их параметры: разобрать квантовый танк на части мы бы еще смогли, а вот измерить их уже нет.
Эту-то проблему и решает квантовая телепортация. Она позволяет перенести свойства одного объекта на другой объект-болванку: квантовое состояние одного атома на другой атом, скорость и координату одного электрона на другой электрон. Смысл в том, что не имея никакой возможности узнать, в каком состоянии находится исходный атом, мы можем сделать так, что другой атом будет находиться в таком же неведомом, но конкретном состоянии. Правда, при этом состояние первого атома необратимо изменится, и, получив копию, мы потеряем оригинал.
2
Итак, телепортация — это перенос состояния с оригинала на атом-болванку. Для этого физики берут специальные частицы-близнецы. Лучше всего на эту роль подходит пара красных фотонов, полученных в результате распада одного фиолетового. Эти фотоны-близнецы обладают уникальным квантовым свойством: как бы далеко они ни были разнесены, они не перестают чувствовать друг друга. Как только изменяется состояние одного из фотонов — немедленно изменяется состояние другого.
Так вот, для телепортации квантового состояния из точки А в точку Б берутся эти два фотона. Один отправляется в точку А, другой — в точку Б. Фотон в точке А взаимодействует с атомом, состояние которого нужно передать в точку Б. Фотон здесь выступает в роли курьера DHL — он приехал к атому, забрал у него пакет документов, таким образом навсегда лишив его этих документов, но собрав нужную информацию, после чего садится в грузовик и увозит документы. В точке Б пакет получает другой фотон и везет его новому владельцу.
В точке Б производятся специальные преобразования со вторым фотоном, а затем происходит взаимодействие этого фотона со вторым атомом-болванкой, на который переносится нужное квантовое состояние. В результате атом-болванка становится атомом из точки А. Все, квантовая телепортация состоялась.
Физика еще очень далека от телепортации человека, зато уже близка спецслужбам и службам безопасности. Телепортацию квантовых состояний можно использовать, чтобы передать особо секретную информацию. Информация кодируется квантовым состоянием фотона, после чего состояние телепортируется от одного шпиона к другому. Если же вражеский шпион попытается перехватить информацию, ему придется произвести измерение состояния фотона, что его необратимо испортит и приведет к ошибкам. Эти ошибки сразу заметят наши шпионы и догадаются, что враг их подслушивает. Все это называется квантовой криптографией.
Источник
По материалам сайта habrahabr.ru
zw.ciit.zp.ua
Телепортация для чайников – Алексей Алексенко – Наука и технологии – Материалы сайта – Сноб
Фактическая канва: «Коммерсант» сообщил, что всего за 10 млрд АСИ собирается за 20 лет разработать телепортацию. Российский квантовый центр, в свою очередь, снисходительно хмыкнул: мол, журналисты все неправильно поняли. Ситуацию даже попытались разъяснить с помощью комикса. Казалось бы, все ясно, но если кому-то хочется еще больше ясности, то вот она.
Почему-то про квантовую телепортацию объясняют всегда на примере каких-то фотонов со спинами. Широкой публике не нужны никакие фотоны, у нее нет потребности передавать их. Публике хочется телепортироваться самой, чтобы сэкономить на билетах, или телепортировать к себе кого-то из знакомых на чашку чая. Скажем, у нас в редакции возникла острая потребность задать пару вопросов доктору Алексею Цвелику*, физику и знатоку всяких квантовых штук. Но Алексей находится в США, а мы в Москве. Как бы мы могли телепортировать Алексея?
Ключевое заблуждение состоит в том, что это становится возможным только благодаря квантовой механике. Ничего подобного. Если бы мир строился на основании ньютоновской физики, телепортировать Алексея было бы проще пареной редиски. Надо было бы просто точно измерить все параметры частиц, из которых состоит Алексей, и передать их по мейлу в редакцию. А уж тут мы бы взяли мешок запасных частиц, придали бы им те самые параметры (скорости, координаты, заряды и т.п.) — и дело в шляпе, вот перед нами доктор Цвелик со всеми его знаниями, чувствами и жизненным опытом.
Квантовая физика тут как раз все путает. Оказывается, принципиально невозможно измерить все параметры частиц, из которых состоит Алексей, и при этом не испортить его. То есть при измерении состояний частиц в США доктор Цвелик будет безнадежно загублен и превращен в кучу шлака, а мы в редакции, при попытке его воссоздать, получим ровно такую же кучу шлака (на самом деле, даже не совсем такую), с которой не о чем будет поговорить. Это обидно, и виной тому — квантовая механика.
Именно этот казус и призвана обойти квантовая телепортация. Фокус состоит в том, чтобы не измерять состояния никаких частиц и тем самым не портить их (собственно, частицы, из которых состоит объект, тесно взаимосвязаны, поэтому я больше не буду говорить об отдельных частицах, а буду просто говорить «состояние»). Чтобы этого не делать, нам понадобится два мешка запасных частей — один в США, другой в Москве — которые будут«запутаны» между собой. Что значит «запутаны», уже объяснили сотни авторов комиксов про Боба и Алису, но суть в том, что наш мешок невидимым образом связан с американским и меняется всегда синхронно с ним.
И вот мы берем сложное квантовое состояние по имени Алексей Цвелик и приводим его в некое взаимодействие с американским мешком. Все, конец. Сложное состояние разрушено, осталась куча шлака. Однако мы были внимательны и записали на бумажку результаты всех взаимодействий. Теперь постараемся без ошибок вбить все это в компьютер** и передать в редакцию «Сноба» в Москве. А уж тут у нас закипит работа: дюжина стажеров начнут видоизменять состояния компонентов нашего мешка так, чтобы они соответствовали записям.
Хитрость в том, что ни американцы, ни мы не знаем — и не узнаем — каковы именно были все эти состояния. Мы знаем только то, как они изменились в Америке при взаимодействии с Алексеем Цвеликом, и ровно по этим же правилам воздействуем на наш мешок, Ч про который мы тоже ничего не знаем наверняка, кроме того, что он в точности идентичен американскому.
И вот только в результате этой работы на редакционном диване соберется сложное квантовое состояние — заметьте, по-прежнему неизмеренное и неопределенное в мелких деталях, и именно потому живое и настоящее — называемое Алексеем и сведущее в вопросах квантовой физики.
И тогда мы сможем, наконец, задать ему вопрос: «Уважаемый Алексей! Мы правильно все рассказали, или надо было расставить акценты по-другому?»
***
Но это все, конечно, дурацкое скоморошество, а на самом деле квантовая телепортация применяется совсем не для этого, а для шифровки сообщений. Как именно? А вот ровно так же: та информация, которую в предыдущем примере у нас была передана по почте, не несет никакого смысла, если у нас нету того самого мешка, запутанного с американским: лишь при взаимодействии они порождают множество важных знаний из области квантовой механики, которыми владеет телепортируемый физик. Для менее сложной информации мешок не нужен — достаточно группы запутанных фотонов, которые можно передать по оптическому волокну. И эти фотоны будут абсолютно необходимы, чтобы расшифровать белиберду, передаваемую параллельно по обычному каналу связи. При попытке перехватить сообщение вся информация будет разрушена. Вот такое применение телепортации — не фантастика, а совершенно реальная практика, которая уже существует.
__________________________
* Мы приносим искренние извинения профессору Алексею Цвелику, что без его ведома привлекли его для иллюстрации квантовых феноменов, да еще и превратили в процессе в кучу квантового шлака. С равным успехом мы могли бы взять для иллюстрации доктора Александра Львовского, создателя первой в России линии квантовой связи. Он находится в г. Калгари (Канада), и мы также не возражали бы заполучить его на редакционный диван, чтобы задать ему пару вопросов.
** В человеческом организме порядка 10 в тридцатой степени элементарных частиц. При существующем рекорде скорости передачи данных 10 в 14-й степени бит в секунду информация о квантовом состоянии организма будет передана уж точно не быстрее, чем за 10 в 16-й степени секунд, это примерно миллиард лет, до 2035 года никак не успеем. Подробнее об оценках количества информации в организме человека см. здесь.
snob.ru
Квантовая физика для чайников! Лучшие эксперименты
Для новой версии книги «Фаза» (2015 года) нужно было одним абзацем и понятно обывателю выразить те вещи, на понимание которых обычно уходят недели и месяцы. Возможно, вам эти сжатые знания пригодятся. Для упрощения понимания квантовая физика описывается не теорией, а экспериментами.
(Графическая версия статьи)
Первый квантовый эксперимент с двумя щелями
В 1803 году Томас Юнг направил пучок света на непрозрачную ширму с двумя прорезями. Вместо ожидаемых двух полосок света на проекционном экране он увидел несколько полос, как если бы произошла интерференция (наложение) двух волн света из каждой прорези. Фактически именно в этот момент зародилась квантовая физика, вернее вопросы у её основы. В XX и XXI веках было показано, что не только свет, но любая одиночная элементарная частица и даже некоторые молекулы ведут себя как волна, как кванты, будто проходя через обе щели одновременно. Однако если поставить у щелей датчик, который определяет, что именно происходит с частицей в этом месте и через какую именно щель она все-таки проходит, то на проекционном экране появляются только две полосы, словно факт наблюдения (косвенного влияния) рушит волновую функцию и объект ведет себя как материя. (Подробно, видео)
Принципа неопределенности Гейзенберга – фундамент квантовой физики!
Благодаря открытию 1927 года тысячи ученых и студентов повторяют один и тот же простой эксперимент, пропуская лазерный луч через сужающуюся щель. Логично, видимый след от лазера на проекционном экране становится все уже и уже вслед за уменьшением зазора. Но в определенный момент, когда щель становится достаточно узкой, пятно от лазера вдруг начинает становиться шире и шире, растягиваясь по экрану и тускнея пока щель не исчезнет. Это самое очевидное доказательство квинтэссенции квантовой физики — принципа неопределенности Вернера Гейзенберга, выдающегося физика-теоретика. Суть его в том, что чем точнее мы определяем одну из парных характеристик квантовой системы, тем более неопределенней становится вторая характеристика. В данном случае, чем точнее мы определяем сужающейся щелью координаты фотонов лазера, тем неопределеннее становится импульс этих фотонов. В макромире мы точно также можем измерить либо точное местоположение летящего меча, взяв его в руки, либо его направление, но никак не одновременно, так как это противоречит и мешает друг другу. (Подробно, видео)
Квантовая сверхпроводимость и эффект Мейснера
В 1933 году Вальтер Мейснер обнаружил интересное явление в квантовой физике: в охлажденном до минимальных температур сверхпроводнике магнитное поле вытесняется за его пределы. Это явление получило название эффект Мейснера. Если обычный магнит положить на алюминий (или другой сверхпроводник), а затем его охладить жидким азотом, то магнит взлетит и зависнет в воздухе, так как будет «видеть» вытесненное из охлажденного алюминия свое же магнитное поле той же полярности, а одинаковые стороны магнитов отталкиваются. (Подробно, видео)
Квантовая сверхтекучесть
В 1938 году Петр Капица охладил жидкий гелий до близкой к нулю температуры и обнаружил, что у вещества пропала вязкость. Это явление в квантовой физике получило название сверхтекучесть. Если охлажденный жидкий гелий налить на дно стакана, то он все равно вытечет из него по стенкам. Фактически, пока гелий достаточно охлажденный для него нет пределов, чтобы разлиться, вне зависимости от формы и размера емкости. В конце XX и начале XXI веков сверхтекучесть при определенных условиях была также обнаружена у водорода и различных газов. (Подробно, видео)
Квантовый туннелинг
В 1960 году Айвор Джайевер проводил электрические опыты со сверхпроводниками, разделенными микроскопической пленкой непроводящего ток оксида алюминия. Выяснилось, что вопреки физике и логике часть электронов все равно проходит через изоляцию. Это подтвердило теорию о возможности квантового туннельного эффекта. Он распространяется не только на электричество, но и любые элементарные частицы, они же волны согласно квантовой физике. Они могут проходить препятствия насквозь, если ширина этих препятствий меньше длины волны частицы. Чем препятствие уже, тем чаще частицы проходят сквозь них. (Подробно, видео)
Квантовая запутанность и телепортация
В 1982 году физик Ален Аспэ, будущий лауреат Нобелевской премии, направил два одновременно созданных фотона на разнонаправленные датчики определения их спина (поляризации). Оказалось, что измерение спина одного фотона мгновенно влияет на положение спина второго фотона, который становится противоположным. Так была доказана возможность квантовой запутанности элементарных частиц и квантовая телепортация. В 2008 году ученым удалось измерить состояние квантово-запутанных фотонов на расстоянии 144 километров и взаимодействие между ними все равно оказалось мгновенным, как если бы они были в одном месте или не было пространства. Считается, что если такие квантово-запутанные фотоны окажутся в противоположных участках вселенной, то взаимодействие между ними все равно будет мгновенным, хотя свет это же расстояние преодолевает за десятки миллиардов лет. Любопытно, но согласно Эйнштейну для летящих со скоростью света фотонов времени тоже нет. Совпадение ли это? Так не думают физики будущего! (Подробно, видео)
Квантовый эффект Зенона и остановка времени
В 1989 году группа ученых под руководством Дэвида Вайнленда наблюдала за скоростью перехода ионов бериллия между атомными уровнями. Выяснилось, что сам факт измерения состояния ионов замедлял их переход между состояниями. В начале XXI века в подобном эксперименте с атомами рубидия удалось достичь 30-кратного замедления. Все это является подтверждением квантового эффект Зенона. Его смысл в том, что сам факт измерения состояния нестабильной частицы в квантовой физике замедляет скорость ее распада и в теории может его полностью остановить. (Подробно, видео англ.)
Квантовый ластик с отложенным выбором
В 1999 году группа ученых под руководствам Марлана Скали направляла фотоны через две щели, за которыми стояла призма, конвертирующая каждый выходящий фотон в пару квантово-запутанных фотонов и разделяя их на два направления. Первое отправляло фотоны на основной детектор. Второе направление отправляла фотоны на систему 50%-отражателей и детекторов. Выяснилось, если фотон из второго направления достигал детекторы определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как частицу. Если же фотон из второго направления достигал детекторы не определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как волну. Не только измерение одного фотона отражалось на его квантово-запутанной паре, но и это происходило вне расстояния и времени, ведь вторичная система детекторов фиксировала фотоны позже основного, как если бы будущее определяло прошлое. Считается, что это самый невероятный эксперимент не только в истории квантовой физики, но и вполне в истории всей науки, так как он подрывает многие привычные основы мировоззрения. (Подробно англ., видео англ.)
Квантовая суперпозиция и кот Шредингера
В 2010 году Аарон О’Коннелл поместил небольшую металлическую пластину в непрозрачную вакуумную камеру, которую охладил почти до абсолютного нуля. Затем он придал импульс пластине, чтобы она вибрировала. Однако датчик положения показал, что пластина вибрировала и была спокойна одновременно, что точно соответствовало теоретической квантовой физике. Этим впервые был доказан принцип суперпозиции на макрообъектах. В изолированных условиях, когда не происходит взаимодействия квантовых систем, объект может одновременно находиться в неограниченном количестве любых возможных положений, как если бы он больше не был материальным. (Подробно, видео)
Квантовый Чеширский кот и физика
В 2014 году Тобиас Денкмайр и его коллеги разделили поток нейтронов на два пучка и провели серию сложных измерений. Выяснилось, что при определенных обстоятельствах нейтроны могут находиться в одном пучке, а их же магнитный момент в другом пучке. Таким образом был подтвержден квантовый парадокс улыбки Чеширского кота, когда частицы и их свойства могут находиться по нашему восприятию в разных частях пространства, как улыбка отдельно от кота в сказки «Алиса в стране чудес». В очередной раз квантовая физика оказалась загадочней и удивительней любой сказки! (Подробно, видео англ.)
(Графическая версия статьи)
Спасибо за чтение! Теперь вы стали немного умнее и от этого наш мир чуточку посветлел. Поделитесь ссылкой на эту статью с друзьями и мир станет еще лучше!
Автор Михаил Радуга, www.aing.ru(Книга «Фаза»)
Подписаться на новости:
_______________________ aing.ru
|
Поиск Лекций
В рамках теории Ньютона телепортация откровенно невозможна. Законы Ньютона базируются на представлении о том, что вещество состоит из крошечных твердых бильярдных шариков. Объекты не приходят в движение, если их не толкнуть; объекты не исчезают внезапно и не появляются заново в другом месте. Но в квантовой теории частицы способны проделывать именно такие фокусы. Законы Ньютона продержались у власти 250 лет и были свергнуты в 1925 г., когда Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и их коллеги разработали квантовую теорию. Анализируя странные свойства атомов, физики обнаружили, что электрон ведет себя как волна и в кажущейся хаотичности своего движения внутри атома может совершать квантовые скачки. Теснее всего с представлением о квантовых волнах связан венский физик Эрвин Шрёдингер, создатель знаменитого волнового уравнения, названного его именем, — одного из важнейших уравнений физики и химии. Целые институтские курсы посвящены решению этого знаменитого уравнения; целые стены физических библиотек заняты книгами, в которых подробно исследуются его глубокие следствия. В принципе вся сумма знаний по химии может быть сведена к решениям этого уравнения. В 1905 г. Эйнштейн показал, что световые волны могут вести себя наподобие частиц; это значит, что они MOiyr быть описаны как пакеты энергии, известные под названием фотонов. Но примерно к 1920 г. Шрёдингеру стало очевидно, что обратное тоже верно: частицы, к примеру электроны, могут вести себя подобно волнам. Эту идею первым высказал французский физик Луи де Бройль, удостоенный за эту гипотезу Нобелевской премии. (Мы в университете наглядно демонстрируем это студентам. Для этого мы выстреливаем электронами в катодную лучевую трубку, в точности такую, как в телевизоре. Электроны проходят через крошечное отверстие, так что на экране вроде бы должна появиться маленькая светлая точка. Вместо этого вы обнаружите там концентрические волнообразные круги — точно такие, какие можно ожидать при прохождении через отверстие волны, а не частицы.) Как-то Шрёдингер читал лекцию об этом любопытном феномене. Один из присутствовавших в зале коллег-физиков Питер Дебай задал вопрос: «Если электрон можно описать как волну; то как выглядит его волновое уравнение?» С тех пор как Ньютон создал дифференциальное исчисление, физики описывали любую волну на языке дифференциальных уравнений, поэтому Шредингер воспринял вопрос Дебая как вызов и решил написать дифференциальное уравнение для электронной волны. В том же месяце Шредингер ушел в отпуск, а вернулся уже с готовым уравнением. Как Максвелл в свое время взял физические поля Фарадея и вывел уравнения Максвелла для света, Шредингер взял частицу-волну де Бройля и вывел уравнение Шрёдингера для электронов. (Историки науки потратили немало усилий, пытаясь выяснить в точности, где был и чем занимался Шрёдингер, когда открыл свое знаменитое уравнение, навсегда изменившее современную физику и химию. Оказалось, что Шредингер был сторонником свободной любви и на отдых часто ездил с женой и любовницами. Он также вел подробный дневник, в который заносил всех своих многочисленных любовниц и сложным шифром обозначал каждую встречу. В настоящее время считается, что те выходные, когда было открыто уравнение, Шредингер провел в Альпах, на вилле «Хервиг», с одной из своих подружек.) Начав решать свое уравнение для атома водорода, Шредингер, к немалому своему удивлению, обнаружил, что энергетические уровни электронов уже до него были точно установлены и опубликованы другими физиками. После этого он понял, что старая модель атома, принадлежащая Нильсу Бору, — та самая, где электроны носятся вокруг ядра и которую до сих пор рисуют в книгах и рекламных проспектах как символ современной науки — на самом деле неверна. Круговые орбиты электронов вокруг ядра атома необходимо заменить волнами. Можно сказать, что работа Шрёдингера встряхнула физическое сообщество и, подобно брошенному камню, тоже породила разбегающиеся волны. Физики вдруг обнаружили, что могут заглянуть непосредственно в атом, подробно исследовать волны, из которых состоят его электронные оболочки, и точно предсказать их энергетические уровни. Но оставался еще один вопрос, который не дает физикам покоя даже сегодня. Если электрон описывается как волна, то что же в нем колеблется? Ответ на этот вопрос дал физик Макс Борн; он сказал, что эти волны представляют собой не что иное, как волны вероятности. Они сообщают только о том, с какой вероятностью вы обнаружите конкретный электрон в определенное время в определенной точке. Другими словами, электрон — это частица, но вероятность обнаружить эту частицу задается волной Шрёдингера. И чем выше волна, тем больше шансов обнаружить частицу именно в этой точке. Получается, что внезапно в самом сердце физики — науки, которая прежде давала нам точные предсказания и подробные траектории любых объектов, начиная с планет и комет и кончая пушечными ядрами, — оказались понятия шанса и вероятности. Гейзенберг сумел формализовать этот факт, предложив принцип неопределенности[9] — постулат о том, что невозможно знать точную скорость и точное положение электрона в один и тот же момент. Невозможно точно определить и его энергию в заданный промежуток времени. На квантовом уровне нарушаются все фундаментальные законы здравого смысла: электроны могут исчезать и вновь возникать в другом месте, а также находиться одновременно в нескольких местах. (По иронии судьбы и Эйнштейн, крестный отец квантовой теории, принимавший участие в революционных преобразованиях 1905 г., и Шрёдингер, автор волнового уравнения, пришли в ужас от появления случайных процессов в фундаментальной физике. Эйнштейн писал: «Квантовая механика вызывает огромное уважение. Но внутренний голос подсказывает мне, что это не то, что нужно. Эта теория многое объясняет, но едва ли приближает нас хоть сколько-то к тайне Бога. По крайней мере о себе могу сказать точно: я убежден, что Он не играет в кости».) Теория Гейзенберга была революционной и противоречивой, но работала. С ее помощью физикам удалось одним махом объяснить огромное число загадочных явлений, включая законы химии. Объясняя своим аспирантам странность и причудливость квантовой теории, я иногда прошу их рассчитать вероятность того, что атомы их тел вдруг разбегутся и соберутся заново по другую сторону кирпичной стены. Подобная телепортация запрещена в ньютоновской физике, но никак не противоречит законам квантовой механики. Ответ, однако, заключается в том, что такого события пришлось бы ждать до конца жизни вселенной и даже дольше. (Если бы вы при помощи компьютера построили график шрёдингеровой волновой функции для собственного тела, то выяснилось бы, что она очень сильно напоминает само тело, но выглядит как бы чуть-чуть лохматой, так как некоторые из ваших волн расползаются за его пределы во всех направлениях. Некоторые из них достигают даже отдаленных звезд. Поэтому существует все же крошечная вероятность того, что однажды вы вдруг проснетесь на далекой чужой планете.) Тот факт, что электроны, по-видимому, могут находиться во многих местах одновременно, составляет фундамент всей химии. Мы думаем, что электроны обращаются вокруг ядра атома, как тела миниатюрной Солнечной системы. Но между атомом и Солнечной системой есть принципиальные различия. При столкновении в космосе двух Солнечных систем они неизбежно развалятся, планеты при этом отбросит в разных направлениях. Атомы же, сталкиваясь, часто делятся друг с другом электронами и образуют вполне стабильные молекулы. В старших классах школы учитель часто говорит ученикам про «размазанный электрон», напоминающий продолговатый мяч для регби; он соединяет два атома между собой. Но вот о чем учителя химии почти никогда не рассказывают ученикам. Электрон, о котором идет речь, вовсе не «размазан» между двумя атомами. На самом деле этот «мяч для регби» представляет вероятность того, что электрон находится одновременно во множестве мест внутри данного объема. Другими словами, вся химия, изучающая и объясняющая строение молекул, из которых состоят наши тела, основана на представлении о том, что электроны могут находиться одновременно в нескольких местах; именно такое «совместное владение» электронами, которые умудряются одновременно принадлежать двум атомам, удерживает на месте атомы в молекулах нашего тела. Без квантовой теории наши молекулы и атомы распались бы в мгновение ока. Этим причудливым, но принципиальным свойством квантовой теории (тем фактом, что существует ненулевая вероятность даже самых странных событий) воспользовался Дуглас Адаме в своем веселом романе «Автостопом по галактике». Автору нужен был удобный способ носиться по всей галактике, поэтому он придумал «двигатель бесконечной невероятности», «чудесный новый способ преодоления громадных межзвездных расстояний за ничтожнейшую долю секунды без нудного блуждания в гиперпространстве». Его машина позволяет произвольно менять вероятность любого квантового события, так что даже чрезвычайно маловероятные события становятся обычными и привычными. В общем, если хотите отправиться в ближайшую звездную систему, нужно просто изменить вероятность вашей рематериализации именно там,' и все! Дело сделано! Вы мгновенно телепортируетесь в нужное место. На самом деле квантовые «скачки», столь обычные внутри атома, невозможно легко перенести на крупные объекты вроде людей, состоящие из триллионов и триллионов атомов. Даже если электроны в нашем теле прыгают и скачут с места на место в своем фантастическом путешествии вокруг ядра, их так много, что прыжки усредняются и сглаживаются. Именно поэтому, говоря упрощенно, на нашем уровне вещества представляются твердыми и неизменными. Итак, хотя на атомном уровне телепортация разрешена, чтобы дождаться подобного странного события на макроскопическом уровне, придется ждать до гибели нашей Вселенной и даже дольше. Но можно ли воспользоваться законами квантовой теории и создать машину для телепортации объектов по требованию, как происходит в научно-фантастических произведениях? Как ни удивительно, ответ однозначен: да, можно. Эксперимент ЭПР Ключ к квантовой телепортации кроется в знаменитой работе 1935 г. Альберта Эйнштейна и его коллег Бориса Подольского и Натана Розена. По иронии судьбы трое ученых ставили своей целью раз и навсегда покончить с присутствием вероятности в физике, предложив с этой целью мысленный эксперимент, получивший название эксперимент ЭПР по первым буквам фамилий авторов. (Сокрушаясь по поводу бесспорного экспериментального успеха квантовой теории, Эйнштейн писал: «Чем больший успех имеет квантовая теория, тем глупее она выглядит».) Если два электрона первоначально колеблются в унисон (такое состояние называется когерентным), то они способны сохранить волновую синхронизацию даже на большом расстоянии друг от друга. Даже если эти электроны окажутся разделены световыми годами, невидимая шрёдингерова волна все равно будет связывать их между собой подобно пуповине. Если с одним из электронов что-то произойдет, то какая-то часть информации об этом событии будет немедленно передана второму. Это явление называется квантовой запутанностью и основано на концепции о том, что когерентные частицы обладают какой-то глубинной связью. Возьмем (мысленно, разумеется) два когерентных электрона; раз они когерентны, значит, колеблются в унисон, Затем позволим этим электронам разлететься в противоположных направлениях. Каждый электрон подобен вертящемуся волчку, причем его вращение (спин) может быть направлено вверх или вниз. Пусть полный спин системы равняется нулю, так что если известно, что спин одного электрона направлен вверх, то спин другого точно направлен вниз. Согласно квантовой теории перед измерением спин электрона не направлен ни вверх, ни вниз; электрон находится в неопределенном состоянии, он как бы вращается вверх и вниз одновременно. (Стоит вам произвести наблюдение, как волновая функция «схлопывается», оставляя частицу в одном конкретном состоянии из всех возможных.) Далее измерим спин одного электрона. Скажем, он вращается вверх. Значит, мы мгновенно узнаем, что другой электрон вращается вниз. Даже если электроны разделены в пространстве многими световыми годами, мы будем мгновенно знать спин второго из них, как только измерим спин первого. Мало того, мы получим эту информацию быстрее, чем со скоростью света! Поскольку два наши электрона «запутаны», т.е. их волновые функции колеблются в унисон, эти самые волновые функции связаны невидимой «нитью» или пуповиной. Все, что происходит с одной частицей, автоматически отражается на другой. (В каком-то смысле это означает, что все, что происходит с нами, автоматически и мгновенно влияет на события, происходящие в отдаленных уголках вселенной, ведь наши волновые функции, вероятно, «запутаны» еще с начала времен. В каком-то смысле можно сказать, что существует паутина «запутанности», которая связывает отдаленные уголки вселенной, включая и нас с вами.) Эйнштейн иронически называл это явление призрачным дальнодействием и «доказывал» с его помощью, что квантовая теория неверна, поскольку ничто не может переноситься с места на место быстрее, чем со скоростью света. Первоначально Эйнштейн считал мысленный эксперимент ЭПР похоронным звоном по квантовой теории. Но в 1980-х гг. Алан Аспект с коллегами провел во Франции реальный эксперимент с двумя детекторами, расположенными на расстоянии 13 м друг от друга. Он измерял спины фотонов, испускаемых атомами кальция, и полученные результаты в точности совпали с положениями квантовой теории. Очевидно, Господь все же играет в кости с нашей Вселенной. Действительно ли информация в этом случае передается быстрее, чем со скоростью света? Неужели Эйнштейн ошибся и скорость света не является предельной скоростью нашей Вселенной? На самом деле все обстоит не совсем так. Да, информация действительно передается быстрее света, но информация эта случайна, а потому бесполезна. Методом, описанным в эксперименте ЭПР, невозможно передать настоящее послание, скажем, азбукой Морзе, с какой бы скоростью ни передавалась информация. Знание о том, что некий электрон на другом конце вселенной вращается вниз, бесполезно. Этим методом невозможно передать свежую информацию о биржевых котировках. Приведем наглядный пример. Предположим, что один из наших приятелей всегда носит разноцветные носки, красный и зеленый, не обращая внимания на то, какой цвет окажется на какой ноге. Скажем, мы осматриваем одну ногу и выясняем, что на ней красный носок. Значит, мы узнаем быстрее, чем со скоростью света, что на другой ноге зеленый носок. Информация действительно дошла до нас быстрее света, но она совершенно бесполезна. Этим методом невозможно передать сигнал, который содержал бы неслучайную информацию. Много лет эксперимент ЭПР приводили как яркий пример торжества квантовой теории, но торжество получалось бесплодным и не давало никакой практической выгоды. До недавнего времени. Квантовая телепортация Все изменилось в 1993 г., когда ученые из IBM[10] 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. Квантоваятелепортация 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». |
|
poisk-ru.ru
шаг к созданию «квантового интернета»
Исследователи из канадского Университета Калгари успешно продемонстрировали телепортацию свойств световой частицы, отправленной из научной лаборатории в центр города на расстояние чуть более шести километров от места проведения эксперимента. Тем самым был сделан еще один важный шаг на пути создания "реально действующей квантовой сети".
По словам профессора физики Вольфганга Титтеля (Wolfgang Tittel), руководителя исследовательской группы, чья работа совсем недавно была опубликована в журнале “Nature Photonics”, примечательность данного эксперимента заключалась в том, что передача информации о световой частице происходила в так называемой разрозненной форме. То есть, в ходе данного процесса не было необходимости передавать «объект» между двумя конкретными частицами.
Эксперимент проводился с помощью усовершенствованных лазерных установок, выделенной волоконно-оптической линии связи и датчиков, предназначенных для обнаружения световых частиц.
Исследование канадских ученых базировалось на использовании хорошо известного, но до сих пор крайне озадачивающего явления квантовой запутанности. Данная концепция настолько загадочна, что сам Альберт Эйнштейн в 40-х годах прошлого века называл ее «жутким дальнодействием». Как никто другой он видел недостатки в формирующейся в то время теории квантовой механики. Но в наши дни появляется все больше доказательств, подтверждающих самые парадоксальные предположения, связанные с квантовой теорией, в том числе и странное поведение «запутанных» частиц.
На самом деле это пары частиц, связь между которыми организована таким образом, что свойства каждой из частиц неразрывно связаны друг с другом. Действия, производимые с одной частицей, оказывают непосредственное влияние на другую частицу, независимо от расстояния между ними.
Для демонстрации данного явления ученые использовали специальный лазер. С его помощью была создана пара «запутанных» фотонов - элементарных частиц света. Один из фотонов по выделенной оптоволоконной линии связи был послан с северо-запада, из университета, в здание Городского совета Калгари.
В то же время в здание мэрии из другого места (Центра обработки данных, расположенного на юго-востоке, в соседнем городке Манчестере) был послан третий фотон. Он должен был встретиться и вступить во взаимодействие с «запутанным» фотоном.
«Перед нами стояла задача убедиться, что он прибыл в мэрию в одно и то же время с тем фотоном, который был создан в Центре обработки данных», - сказал Титтель. - «Все это довольно сложно, потому что, говоря об «одном и том же времени» мы подразумеваем на самом деле отрезок, продолжительностью всего в несколько пикосекунд».
Команда ученых должна была создать механизмы обратной связи в экспериментальной установке, чтобы обеспечить очень точную фиксацию времени прибытия фотонов в городскую мэрию. Это было не так просто, ведь даже небольшие изменения в температуре наружного воздуха вызывают незначительное расширение или сжатие волоконно-оптического кабеля, что влияет на время прохождения пересылаемой информации.
Телепортация на несколько километров
Несмотря на все сложности, экспериментальная система сработала, и передача свойств между фотоном, находящимся в городской мэрии, и фотоном в университете, расстояние между которыми составляет 6,2 километра по прямой линии, была подтверждена.
«Удивительно получать свидетельства того, что телепортация не только существует, но и того, что можно ... на большое расстояние передавать состояние, в котором находится фотон, без передачи самого фотона» - делится своими выводами Вольфганг Титтель. - «С точки зрения фундаментальной науки это представляет собой захватывающее зрелище. А с практической точки зрения, мы использовали стандартную оптоволоконную сеть, чтобы показать, что явления из квантовой физики могут происходить на практике в реальных условиях и приносить пользу обычным людям».
В статье, опубликованной в журнале "Nature Photonics" подчеркивается тот факт, что данный эксперимент «является важной вехой на пути создания глобального квантового интернета», поскольку это одно из самых длинных расстояний, на котором была успешно испытана квантовая телепортация в условиях оптоволоконной сети.
Что такое "квантовый интернет"?
Квантовый интернет пока еще не существует, но мечта о нем есть. Принцип построения такого интернета включает в себя использование одного из ключевых элементов квантовой механики - факта, подтверждающего, что наблюдение квантового состояния частицы меняет квантовое состояние этой частицы. Это дает возможность взаимодействия в сети с невиданной ранее степенью безопасности, потому что никто не сможет перехватить сообщение, если предполагаемый получатель знает о том, что ему отправлена информация.
«Если вы закодируете ключи в квантовые состояния и отправите их от одного человека к другому посредством телепортации, вы сможете проверить со стороны получателя ... досталась ли злоумышленнику какая-либо информация об этом ключе», - объясняет Титтель. - «Если вы обнаружите, что никто не смог вмешаться в ход проводимой вами передачи данных, вы будете уверены, что ваш ключ шифрования является совершенно безопасным. Затем вы можете использовать его для шифрования любых конфиденциальных данных».
Развитие функционирующих на практике квантовых сетей займет еще немало времени, но Сильвен Мейер (Sylvain Mayer), специалист по информационной архитектуре Городского совета Калгари, заявил, что городские власти планируют продолжить работу с университетом, чтобы ускорить процесс создания интернета нового типа. Тесное партнерство представителей Университета Калгари и городских властей началось в 2007 году, когда университет смог подключиться к специальной выделенной сети, носящей название Urban Alliance.
«Мы рады, что часть нашей оптоволоконной инфраструктуры может использоваться представителями университета. Это дает нам возможность быть в курсе исследований и иметь представление о самых передовых технологиях», - считает Мейер. - «Город хочет оказывать посильную помощь учебным заведениям в их стремлении развивать разнообразные типы услуг следующего поколения, которые в конечном итоге получат распространение во всем мире».
Открыть счет для торговли акциями высокотехнологичных компаний
Подписывайтесь на United Traders в социальных сетях:
utmagazine.ru
Квантовая телепортация | Нанотехнологии Nanonewsnet
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.
www.nanonewsnet.ru
Телепортация для чайников: dagliese581g
Прошли те времена, когда перемещение в пространстве казалось сюжетом фантастических произведений. Наука не стоит на месте и воплощает фантазии в жизнь.Итак, что мы имеем на сегодняшний день или проще говоря..
ТЕОРИЯТеория говорит нам, что классического перемещения туловищ не видать нам, как своих ушей. Причина проста - одномоментное перемещение противоречит физическому существованию планковского пределах (он и для времени существует). Проще говоря, тело в пространстве и времени должно иметь постоянное продолжение, без перерывов. Поэтому, максимум на что можно тут рассчитывать в классическом понимании - это перемещение не быстрее скорости света. А для этого можно и просто супер-пупер быстролет построить. Пока только информацию можно передавать на таком уровне, да и то лишь в теории. Уже не то. Но есть не классические версии.Как же обойти планковский предел? Надо взять элементарные частицы (электроны одного спина) и перенести на них другие частицы. Проще говоря - клонировать их. Но тут мы можем говорить лишь о микромире. Перенести информацию об одном электроне другому, заставив его принять форму первого возможно. Именно здесь сейчас находится практика. Дальнейшая же теория идет по двум дорожкам. Для неживой материи можно конечно придумать некий суперкомпьютер, который вычислит весь бесконечно огромный набор электронов из которых состоит, например, табуретка и перенести их, не перепутав, из Магадана в Воронеж, воссоздав там ее точную копию. Но тут еще вопрос, как удержать кучу электронов того же набора в Воронеже, в ожидании переноса. С живыми же телами так не получится. И тут второй вариант интересен. Особенно, если добавить к нему теории Роберта Ланца о биоцентризме - если в человеке и правда первична энергия в 20 ватт в районе мозга, которая строит по заложенной в нее программе материю тела, то теоретически можно передать именно эту энергию вместе с программой на другой конец прямо в кучу углерода, кальция и микроэлементов в пробирке. Правда придется ждать на выходе пока копия вырастет. А в случае человека это 9 месяцев. Не быстрая телепортация выходит))В общем, в теории есть над чем работать. Тем более, что квантовая телепортация происходит только в том случае, если отправитель сообщил Вам об отправке и о ее результате. То есть получатель должен четко знать, что получил информацию. Таково свойство квантового мира - только когда частицу наблюдают, и знают, что наблюдают именно ее - она становится частицей. Вселенная микромира полностью зависит от наблюдателя. И это хорошо коррелируется с теорией биоцентризма - но о ней в другой раз. Как собственно и о квантовой криптографии, которая уже успела даже получить свое реальное коммерческое выражение и войти в человеческий быт первыми робкими шагами.ПРАКТИКА
Экспериментальная реализация квантовой телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена в 1997 году почти одновременно группами физиков под руководством Антона Цайлингера (Университет Инсбрука) и Франческо де Мартини (Университет Рима).
В журнале Nature за 17 июня 2004 года было объявлено об успешном экспериментальном наблюдении квантовой телепортации квантового состояния атома сразу двумя 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 основе иона атома бериллия). Несмотря на поднявшуюся шумиху в средствах массовой информации, эти эксперименты вряд ли можно назвать прорывом: скорее это просто очередной большой шаг в направлении создания квантовых компьютеров и реализации квантовой криптографии.
В 2006 году была впервые осуществлена телепортация между объектами разной природы — квантами лазерного излучения и атомами цезия. Успешный эксперимент был произведен исследовательской группой из Института Нильса Бора в Копенгагене.
23 января 2009 года учёным впервые удалось телепортировать квантовое состояние иона на один метр.
10 мая 2010 года в эксперименте, поставленном физиками из Научно-технического университета Китая и Университета Цинхуа, проводилась передача квантового состояния фотона на 16 километров.
В 2012 году китайским физикам удалось за 4 часа передать 1100 запутанных фотонов на расстояние 97 километров.
В сентябре 2012 года Физики из Университета Вены и Академии наук Австрии установили новый рекорд в квантовой телепортации — 143 километра.В 2014 году перешли на качество - провели телепортацию внутри кристаллов алмаза.dagliese581g.livejournal.com
