Квантовая телепортация: Туннель. Квантовая телепортация это

КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ - ЕЩЕ ОДИН ВЫЗОВ ЗДРАВОМУ СМЫСЛУ

В тонких физических экспериментах удалось, кажется, сделать то, что самые смелые фантасты считали не более чем нереалистичной фантастикой: исследуя одну из связанных когда-то частиц, можно мгновенно (со сверхсветовой скоростью!) с любых расстояний получать информацию о состоянии другой частицы.

Герои научно-фантастических фильмов и романов давно освоили телепортацию - удобный способ мгновенного перемещения во времени и в пространстве. Что же касается реальной жизни, то здесь подобное продолжает оставаться лишь мечтой.

Тем не менее еще в 1935 году Альберт Эйнштейн совместно со своими коллегами Б. Подольским и Н. Розеном предложил эксперимент по телепортации если не вещества, то информации. Этот способ сверхсветовой связи получил название "Парадокс ЭПР".

Суть парадокса состоит в следующем. Есть две частицы, которые какое-то время взаимодействуют, образуя единую систему. С позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некоей волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать та же функция. Но состояние каждой отдельной частицы неизвестно в принципе: это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в приемник, регистрирующий ее параметры, у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными!) соответствующие характеристики. То есть возможна мгновенная "пересылка" квантового состояния частицы на неограниченно большое расстояние. Телепортации самой частицы, передачи массы при этом не происходит.

Похожим образом ведет себя разорвавшийся на две части снаряд: если до взрыва он был неподвижен, суммарный импульс его осколков равен нулю. "Поймав" один осколок и измерив его импульс, можно мгновенно назвать величину импульса второго осколка, как бы далеко он ни улетел.

Сегодня по крайней мере две научные группы - австрийские исследователи из университета в Инсбруке и итальянские из университета "La Sapienza" в Риме - утверждают, что им удалось осуществить телепортацию характеристик фотона в лабораторных условиях.

Эксперименты в Инсбруке передавали "послания" в виде поляризации фотона ультрафиолетового излучения. Этот фотон взаимодействовал в оптическом смесителе с одним из пары связанных фотонов. Между ними в свою очередь возникала квантово-механическая связь, приводящая к поляризации новой пары. Таким образом экспериментаторы добились очень интересного результата: они научились связывать фотоны, не имеющие общего происхождения. Это открывает возможность для проведения целого класса принципиально новых экспериментов.

В результате измерения второй фотон первоначальной связанной пары также приобретал некоторую фиксированную поляризацию: копия первоначального состояния "фотона-посланника" передавалась удаленному фотону. Наиболее сложно было доказать, что квантовое состояние действительно телепортировано: для этого необходимо точно знать, как установлены детекторы при измерении общей поляризации, и потребовалось тщательно синхронизовать их.

Вместо того чтобы использовать отдельный "фотон-посланник", итальянские исследователи предложили рассматривать одновременно две характеристики каждой связанной частицы: поляризацию и направление движения. Это позволяет теоретически описывать их как отдельные частицы и в то же самое время, проводя измерения только с первой частицей, получать характеристики второй, не трогая ее, - осуществлять телепортацию.

Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами - электронами, атомами и даже ионами. Это позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более стабильной. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды.

После создания надежных методов квантовой телепортации возникнут реальные предпосылки для создания квантовых вычислительных систем (см. "Наука и жизнь" № 6, 1996 г.). Телепортация обеспечит надежную передачу и хранение информации на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными, и может быть использована для связи между несколькими квантовыми компьютерами. Кроме того, и сами разработанные исследователями методы имеют огромное значение для будущих экспериментов по квантовой механике, для проверки и уточнения целого ряда современных физических теорий.

www.nkj.ru

Квантовая телепортация - это... Что такое Квантовая телепортация?

Ква́нтовая телепорта́ция — передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в пространстве сцепленной(запутанной) пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения, после чего воссоздаётся в точке приёма. Термин установился благодаря опубликованной в 1993 году статье[1] в журнале «Physical Review Letters», где описано, какое именно квантовое явление предлагается называть «телепортацией» (англ. teleporting) и чем оно отличается от популярной в научной фантастике «телепортации». Квантовая телепортация не передаёт энергию или вещество на расстояние. Обязательным этапом при квантовой телепортации является передача информации между точками отправления и приёма по классическому, неквантовому каналу, которая может осуществляться не быстрее, чем со скоростью света, тем самым не нарушая принципов современной физики.

Описание эксперимента

При осуществлении квантовой телепортации помимо передачи информации по квантовому каналу, необходимо также осуществить передачу дополнительной информации, необходимой для прочтения сообщения, по классическому каналу. Для передачи «квантовой части» используются характерные для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна — Подольского — Розена, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи.

Для простоты рассмотрим квантовую систему с двумя возможными состояниями и (например, проекцию спина электрона или фотона на заданную ось). Такие системы часто называют кубитами. Однако описанный ниже способ пригоден для передачи состояния любой системы, имеющей конечное число состояний.

Пусть у отправителя есть частица А, находящаяся в произвольном квантовом состоянии , и он хочет передать это квантовое состояние получателю, то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица B в том же самом состоянии. Иными словами, необходимо передать отношение двух комплексных чисел и (с максимальной точностью). Заметим, что главная цель здесь — это передать информацию не как можно быстрее, а как можно точнее. Для достижения этой цели выполняются следующие шаги.

Отправитель и получатель договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадёт отправителю, а B — получателю. Поскольку эти частицы запутаны, то каждая из них не обладает своей волновой функцией (вектором состояния), но вся пара целиком (а точнее, интересующие нас степени свободы) описываются единым четырёхмерным вектором состояния .
Квантовая система частиц A и C имеет четыре состояния, однако мы не можем описать её состояние вектором — чистым (полностью определённым) состоянием обладает лишь система из трёх частиц A, B, C. Когда отправитель совершает измерение, имеющее четыре возможных исхода, над системой из двух частиц A и C, он получает одно из 4 собственных значений измеряемой величины. Поскольку при этом измерении система из трёх частиц A, B, C коллапсирует в некое новое состояние, причём состояния частиц A и C становятся известны полностью, то сцепленность разрушается и частица B оказывается в некотором определённом квантовом состоянии.
Именно в этот момент происходит как бы «передача» «квантовой части» информации. Однако восстановить передаваемую информацию пока невозможно: получатель знает, что состояние частицы B как-то связано с состоянием частицы A, но не знает как именно!

Для выяснения этого необходимо, чтобы отправитель сообщил получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения (затратив при этом два бита, соответствующие зацепленному состоянию AC, измеренному отправителем). По законам квантовой механики получается, что, имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C, и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.

Полная передача информации осуществится только после того, как получатель будет обладать данными, полученными по обоим каналам. До того как получен результат по классическому каналу, получатель ничего не может сказать о переданном состоянии.

Фантастическое понятие телепортации происходит из специфичной интерпретации эксперимента: «исходное состояние частицы A после всего произошедшего разрушается. То есть состояние было не скопировано, а перенесено из одного места в другое».

Экспериментальная реализация

23 января 2009 года учёным впервые удалось телепортировать квантовое состояние иона на один метр.[5][6]

10 мая 2010 года в эксперименте, поставленном физиками из Научно-технического университета Китая и Университета Цинхуа, проводилась передача квантового состояния фотона на 16 километров.[7][8]

В 2012 году китайским физикам удалось за 4 часа передать 1100 запутанных фотонов на расстояние 97 километров.[9][10]

В сентябре 2012 года Физики из Университета Вены и Академии наук Австрии установили новый рекорд в квантовой телепортации - 143 километра [11]

См. также

Примечания

Литература

Телепортация: прыжок в невозможное / Дэвид Дарлинг. — Москва: Эксмо, 2008. — 300 с. — (Открытия, которые потрясли мир). — 3100 экз.
Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002. 376 с. Глава 3.
Kilin S.Ya. Quanta and information / Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90.
Килин С. Я. Квантовая информация / Успехи Физических Наук. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527. [1]
Белокуров В. В., Тимофеевская О. Д., Хрусталев О. А. Квантовая телепортация — обыкновенное чудо. Москва, Ижевск: Изд-во: Регулярная и хаотическая динамика, 2000. 172 с. http://books.prometey.org/download/14171.html http://quantumtheory.ru/read/ru/5C83EBAA0666885492E275916BE83723CCFFEE2D/

Ссылки

dic.academic.ru

Квантовая телепортация — WiKi

Для простоты рассмотрим квантовую систему с двумя возможными состояниями ψ1{\displaystyle \psi _{1}} и ψ2{\displaystyle \psi _{2}} (например, проекцию спина электрона или фотона на заданную ось). Такие системы часто называют кубитами. Однако описанный ниже способ пригоден для передачи состояния любой системы, имеющей конечное число состояний.

Пусть у отправителя есть частица А, находящаяся в произвольном квантовом состоянии ψA=αψ1+βψ2{\displaystyle \psi _{A}=\alpha \psi _{1}+\beta \psi _{2}} , и он хочет передать это квантовое состояние получателю, то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица B в том же самом состоянии. Иными словами, необходимо передать отношение двух комплексных чисел α{\displaystyle \alpha } и β{\displaystyle \beta } (с максимальной точностью). Заметим, что главная цель здесь — это передать информацию не как можно быстрее, а как можно точнее. Для достижения этой цели выполняются следующие шаги.

Отправитель и получатель договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадёт отправителю, а B — получателю. Поскольку эти частицы запутаны, то каждая из них не обладает своей волновой функцией (вектором состояния), но вся пара целиком (а точнее, интересующие нас степени свободы) описываются единым четырёхмерным вектором состояния ψBC{\displaystyle \psi _{BC}} .
Квантовая система частиц A и C имеет четыре состояния, однако мы не можем описать её состояние вектором — чистым (полностью определённым) состоянием обладает лишь система из трёх частиц A, B, C. Когда отправитель совершает измерение, имеющее четыре возможных исхода, над системой из двух частиц A и C, он получает одно из 4 собственных значений измеряемой величины. Поскольку при этом измерении система из трёх частиц A, B, C коллапсирует в некое новое состояние, причём состояния частиц A и C становятся известны полностью, то сцепленность разрушается и частица B оказывается в некотором определённом квантовом состоянии.
Именно в этот момент происходит как бы «передача» «квантовой части» информации. Однако восстановить передаваемую информацию пока невозможно: получатель знает, что состояние частицы B как-то связано с состоянием частицы A, но не знает как именно!

Для выяснения этого необходимо, чтобы отправитель сообщил получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения (затратив при этом два бита, соответствующие зацепленному состоянию AC, измеренному отправителем). По законам квантовой механики получается, что, имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C, и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.

ru-wiki.org

Квантовая телепортация: Туннель | Журнал Популярная Механика

Сериал «Звездные врата» и фильм «Контакт», не говоря уже о многочисленных книжках, сделали идею телепортации обыденной, если не сказать банальной. Герои мгновенно перемещаются между точками пространства — для них это привычные путешествия или рутинная работа. Современная наука допускает такую возможность, вот только со скоростью перемещения не все гладко

Такую машину-телепорт построили в фильме «Контакт». С ее помощью героиня Джоди Фостер совершила путешествие в другой мир, а может — и нет…

В фантастических мирах, придуманных писателями и сценаристами, телепортация давно стала стандартной транспортной услугой. Кажется, сложно найти настолько же быстрый, удобный и в то же время интуитивно понятный способ перемещения в пространстве.

Красивую идею телепортации поддерживают и ученые: еще основатель кибернетики Норберт Винер в своей работе «Кибернетика и общество» посвятил «возможности путешествовать при помощи телеграфа» целую главу. С тех пор прошло полвека, и за это время мы почти вплотную приблизились к мечте человечества о таких путешествиях: в нескольких лабораториях мира осуществлена успешная квантовая телепортация.

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».

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2003).

www.popmech.ru

Квантовая телепортация | Virtual Laboratory Wiki

Ква́нтовая телепорта́ция — предсказание квантового состояния частицы В до измерения, посредством косвенного измерения частицы С, при условии, что частицы В и С находились в зацепленном состоянии и вид этого общего состояния ВС определяется при помощи взаимодействия дополнительной частицы А с частицей С. Для специальных углов данная возможность предсказывается квантовой механикой, несмотря на то, что по отдельности точное состояние частицы при измерении получить невозможно (в следствии неопределенности Гейзенберга). Такая возможность косвенного измерения была описанна в Парадоксе Эйнштейна — Подольского — Розена и затем Бомом был описан возможный эксперимент, вследствии чего впоследствии были осуществленны ряд экспериментов (например, А. Аспекта). В новейших экспериментах этого типа добавлен этап определения общего состояния ВС, которое изначально неизвестно.

Более свободно подобные эксперименты интерпретируются как передача квантового состояния на расстояние, при помощи распределённых сцепленных пар и классического канала связи, при которой исходное состояние разрушается. Такая терминология установилась благодаря статье в 1993 году Phys.Rev.Lett. 70, 1895—1899 (1993), где описано, какое именно явление предлагается так называть и чем оно отличается от популярного в научной фантастике слова «телепортация». Квантовая телепортация не передаёт энергию или материю на расстояние. Обязательным этапом при квантовой телепортации является передача информации по классическому, неквантовому каналу, а это заведомо не может происходить со сверхсветовой скоростью.

Собственно по классическому каналу связи передается результат предсказания, благодаря которому экспериментатор может перевести аппаратуру в соответствующее состояние и при измерении частицы В получить предсказанное квантовое состояние. Следует отметить, что для макро-объектов это обычное явление, т.к. в макро-маштабах недействует неопределенность Гейзенберга, но для микро-маштабов до определенного времени такие измерения не могли быть осуществлены из-за недостаточно точной техники.

Описание эксперимента Править

Квантовая телепортация осуществляется за счёт разделения информации на «квантовую часть» и «классическую часть» и независимой передаче этих двух компонент. Для передачи «квантовой части» используются характерные для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна-Подольского-Розена, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи.

Для простоты будем иметь в виду физическую величину с двумя собственными состояниями $ \psi_1 $ и $ \psi_2 $ (например, проекцию спина электрона или фотона на заданную ось).

Пусть у отправителя есть частица А, находящаяся в произвольном квантовом состоянии $ \psi_A = \alpha \psi_1 + \beta \psi_2 $, и он хочет передать это квантовое состояние получателю, т. е. сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица B в том же самом состоянии. Иными словами, необходимо передать два комплексных числа $ \alpha $ и $ \beta $ (с бесконечной точностью). Заметим, что главная цель здесь — это передать информацию не как можно быстрее, а как можно аккуратнее, с бесконечной точностью. Для достижения этой цели выполняются следующие шаги.

Отправитель и получатель договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадёт отправителю, а B — получателю. Поскольку эти частицы запутаны, то каждая из них не обладает своей волновой функцией, но вся пара целиком описывается единой волновой функцией $ \psi_{BC} $.
Когда отправитель получает частицу C, он имеет систему из двух частиц A и C. Однако до того, как над C совершены какие-либо действия, эти частицы являются пока независимыми. Затем отправитель запутывает частицы А и С и волновая функция всей системы из трёх частиц есть произведение $ \psi_A\psi_{BC} $.
Волновая функция $ \psi_A\psi_{BC} $ имеет четыре собственных состояния. Поэтому, когда отправитель совершает измерение над системой из двух частиц A и C, он с некоторой вероятностью получает одно из 4 собственных значений физической величины. Поскольку при этом измерении частица C коллапсирует в некое новое состояние, то и запутанная с ней частица B также сколлапсирует при измерении в некоторое определённое состояние.
Именно в этот момент происходит как бы "передача" «квантовой части» информации. Отметим, что объём передаваемой при этом информации, равен объёму информации, запасённой в исходном состоянии, и может быть сколь угодно большим[источник?]</sup>. Однако восстановить передаваемую информацию пока невозможно: получатель знает, что состояние частицы B как-то связано с состоянием частицы A, но не знает как именно!
Для выяснения этого необходимо, чтобы отправитель сообщил получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения (затратив при этом два бита - которым можно охарактеризовать начальное зацепленное состояние ВС, выясненное отправителем). По законам квантовой механики получается, что имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.

Полная передача информации осуществится только после того, как получатель будет обладать данными, полученными по обоим каналам. До того, как получен результат по классическому каналу, получатель ничего не может сказать об исходном состоянии.

Перехватить передаваемую информацию без ведома отправителя и получателя принципиально нельзя. Дело в том, что если «злоумышленник» попытается проследить за эволюцией запутанной пары B и C, то он тут же разрушит её запутанность, что можно будет легко отследить по неравенствам Белла.

Фантастическое понятие телепортации происходит из специфичной интерпретации эксперимента: "исходное состояние частицы A после всего произошедшего разрушается. То есть, состояние было не скопировано, а перенесено из одного места в другое".

Экспериментальная реализация Править

ru.vlab.wikia.com

Квантовая телепортация / Наука / Лента.co

Читать оригинал публикации на postnauka.ru

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.

lenta.co

Квантовая телепортация такая хрень, без бутылки не разберешься

Альберт Эйнштейн и квантовая телепортация

Вечером — обратно. На следующий день — в Лондон, на стадион Уэмбли, матч «Тоттенхэм» – «Манчестер Юнайтед». Вечером – «Washington Capitals» vs «Detroit Red Wings», там наш Александр Овечкин играет.

Вот только жена недовольна, ей в парижский бутик приспичило, придется сразу после матча туда телепортироваться.

Да еще физики, сволочи, настроение портят, говорят, что всё не так просто!

Не получится, говорят, пока на Багамы, на Уэмбли и даже в Рязань к теще. И вообще телепортация квантов — это не телепортация тела, а дело сложное и малопонятное.

Точка зрения

Квантовая телепортация — это такая хрень, что без бутылки точно не разберешься

Хотя их коллега и старший товарищ Альберт Эйнштейн утверждал, что все предельно просто, а ученый, который не может объяснить пятилетнему ребенку, чем он занимается, не ученый, а шарлатан.

Мы не пятилетние дети, некоторые даже школу закончили, давайте попробуем разобраться в этом чудовищном хитросплетении квантов, спинов и запутанных состояний.

Что такое квантовая телепортация?

Говоря примитивно (а мы и дальше будем рассуждать примитивно, пусть физики не обижаются), квантовая телепортация — это моментальный перенос квантового состояния из одной точки пространства в другую, неважно на каком расстоянии они между собой находятся.

Обратите внимание на слово «состояние». Не тела, не предмета – состояния.

Вот проснулись вы с жуткого бодуна, и, в перспективе, состояние вашего похмелья можно будет телепортировать какому-нибудь гуманоиду в созвездии Лебедя.

Пусть радуется!

Но это в будущем, пока же квантовая телепортация — способ перемещения информации о частице (атоме, фотоне) на другую частицу. Но сама частица в пространстве не перемещается.

Квантовый мир

Ты, дорогой читатель, весь состоишь из элементарных частиц. Так же как твоя жена, собака и колючий кактус на подоконнике. Всё в мире состоит из этих, блин, частиц.

Даже взаимодействие между этими частицами состоит из особых элементарных частиц (бозонов).

Их существование недавно подтвердилось. Помните, все боялись конца света в 2012 году, потому что календарь майя заканчивался.

Точка зрения

Вот проснулись вы с жуткого бодуна, и состояние вашего похмелья можно телепортировать какому-нибудь гуманоиду в созвездии Лебедя

А заканчивался он, потому что в Женеве на Большом адронном коллайдере ученые открыли проход в ад.

Вот тогда и подтвердилось.

Все эти частицы живут в своем мире, нам недоступном и непонятном: в квантовом мире, на микроуровне.

И законы физики там не такие как у нас.

Если ты упадешь, как мой сосед, с третьего этажа, то перелом, как минимум, получишь.

А если с третьего этажа упадет микрочастица, то ей ни фига не будет.

Квантовая запутанность

Одно из таких состояний у частиц называется квантовая запутанность.

Непонятно, какой дурак назвал это состояние запутанностью, для того чтобы всех запутать что ли?

На самом деле, это не запутанность, а связь, которая делает их зависимыми друг от друга на любом расстоянии.

Если мы возьмем пару таких «голубков» с таинственной связью и измерим квантовое состояние одного, то предскажем состояние другого совершенно точно.

Точка зрения

Если ты упадешь, как мой сосед, с третьего этажа, то перелом, как минимум, получишь, а если с третьего этажа упадет микрочастица, то ей ни фига не будет

Это явление и лежит в основании феномена квантовой телепортации.

В быту оно известно тоже. Например, одна подруга звонит другой и сообщает: «Мой только что пришел домой в состоянии пальто, говорит, что с твоим пил, жди».

И вторая тут же без труда предскажет состояние своего «любимого», даже если он сейчас на недоступном для ее сковородки расстоянии.

Квантовая телепортация. ЭПР-парадокс

В физике есть такой термин «ЭПР-парадокс». Назван в честь Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена.

По всей видимости, эти товарищи после работы собирались, соображали на троих, и спорили о том, можно ли Вселенную разложить на отдельно существующие «элементы реальности», как разложены перед ними на газетке куски докторской колбасы.

Пришли к общему мнению: «Имеются две частицы с общим прошлым, которые образовались при распаде частицы-мамы и между ними существует зависимость, проявляющаяся на любом расстоянии.

Эти частицы называются ЭПР-парой и находятся в запутанном состоянии, то есть зависят друг от друга.

Квантовая запутанность. Как это происходит

Экспериментальное подтверждение квантовой телепортации

Как дело было дальше — никто не знает.

Скорее всего, после такого озарения вся троица направилась во Францию к своему дружку Алану Аспекту.

Алан сразу же, чтобы пьяная компания отвязалась, экспериментально доказал, что в квантовом мире тройной парадокс на самом деле существует.

Потом были эксперименты Чарльза Беннета, Антона Цайлингера Кристофера Монро и многих других.

В 2012 году внимание научной братии было приковано к островам Канарского архипелага.

Точка зрения

Квантовые вирусы будут в несколько раз опаснее нынешних. Выскочив из компьютера, они начнут шарить по комнате, могут заразить утюг или холодильник, и где тогда хранить червей для рыбалки?

Между островами успешно была осуществлена квантовая телепортация. Расстояние, на которое прыгнула научная мысль, составило 143 километра.

В июле 2017-го китайские ученые успешно провели впервые в мире космическую квантовую телепортацию.

Китайские физики впервые в мире провели телепортацию в космос

Аллилуйя! Квантовая телепортация из области теоретической перешла в практическую.

Перспективы квантовой телепортации

Всю последнюю неделю я разбирался с квантовой запутанностью, спинами и парадоксами.

В это время мой друг Вован разбирался с заказчиком, который недоплатил нам за ремонт квартиры.

Разобрался и вчера пришел ко мне с двумя бутылками «Столичной».

После моего восторженного рассказа о квантовой телепортации, Вован, с присущим ему прагматизмом, спросил: «А на фига это нужно?».

Точка зрения

Именно квант (не путать с Кантом, квант гораздо меньше) является основной единицей материи

А действительно, на фига? Пришлось продолжить знакомство с физикой на высшем уровне.

Квантовый компьютер

Оказывается, наука на пороге создания квантового компьютера, где фотоны станут носителями информации.

У этой машины нового поколения объем информации и скорость работы будут в сотни раз выше, чем у нынешних навороченных писюков.

К тому же работать КК (квантовый компьютер) будет без затрат энергии.

К розетке подключать не надо, батарея (или что там) будет заряжена вечно.

Пока это только в сериалах можно наблюдать. Там если ноутбук в кадре, то он никогда в розетку не включен. Персонажи с ним по комнате бегают и фотки друг другу показывают.

Следующий шаг — «квантовый интернет», разветвленная сеть коммуникаций, базирующаяся на квантовой связи.

Точка зрения

Тело любого человека, даже если он сильно пьян, пронизано квантовой энергией

Единица квантовой информации будет называться «кубит», вместо примитивного сегодняшнего – «бит».

Квантовый вирус

Но… предупреждают ученые, квантовые вирусы будут в несколько раз опаснее нынешних сетевых.

Вырвавшись на свободу, они смогут существовать отдельно от компьютера.

Я плохо себе представляю, как это.… Думаю, выскочив из компьютера, паразиты-вирусы начнут шарить по комнате, могут заразить утюг или холодильник, и где тогда хранить червей для рыбалки?

Дело серьезное!

Новые технологии несут новые опасности человечеству!

Квантовая связь и квантовая криптография

Следующее практическое применение (в которой найдет себя идея квантовой телепортации) — квантовая связь и квантовая криптография.

Недавно был успешно осуществлен проект передачи квантовой информации между офисами «Газпромбанка».

Честно говоря, в этой криптографии я ни черта не понял, только то, что мошенникам будет сложнее с карточек деньги тырить.

Если, конечно, квантовая информация, зашифрованная в квантовых флешках, не окажется на квантовой «Горбушке».

Точка зрения

Все, что мы делаем, все, о чем думаем, возникает, прежде всего, в глубинах квантового тела, и только потом поднимается на поверхность жизни

О квантовой природе человека

Заключительным аккордом этой долгой симфонии под названием «квантовая телепортация» будет мгновенное перемещение в пространстве человека.

Но прежде чем говорить о телепортации человека, надо выяснить, наконец, что же такое человек.

С точки зрения вульгарных материалистов: «Человек это — кислород, водород, углерод и чуть-чуть других химических элементов».

С точки зрения квантовой теории, человек – это гораздо больше того, что мы ощущаем, чувствуем и слышим.

Квант – единица материи

Именно квант (не путать с Кантом, квант гораздо меньше) является основной единицей материи.

Всё вокруг сделано из квантов, а не из атомов и молекул, как нам объясняли на уроках физики глупые учителя.

Если взять самый маленький атом и положить рядом с самым большим квантом, то квант будет меньше в десятки миллионов раз.

Чтобы проще было сравнивать: квант — это пятно, которое осталось на моем кухонном столе, когда Вован пиво пролил. Атом — наша планета, на которой без счета таких пятен уместится.

В один только Забайкальский военный округ сколько влезет.

На самом деле, квант положить на стол не получится.

Это даже не частица, а невидимое колебание флуктуаций света, призрак энергии.

Но в отличие от призраков реальных (которые по ночам приходят), квант может принять физическую форму.

Квантовая энергия

Тело любого человека, даже если он сильно пьян, пронизано квантовой энергией.

Эта энергия составляет коллективный разум и интеллектуальную сеть головного мозга и остальных десятков триллионов клеток организма.

На квантовом уровне все части тела между собой связаны.

На квантовом уровне все части тела связаны

Простой пример: вы выпили стакан водки, и по телу разливается поток счастья.

Очень верное определение: «По телу разливается». Химические вещества, которые выделяет мозг, отправляются в путешествие по всему телу, передавая каждой клеточке организма ощущение счастья.

С похмелья происходят схожие процессы с противоположным знаком.

Квантовая телепортация. Возможно, или нет

Все, что мы делаем, все, о чем думаем, возникает, прежде всего, в глубинах квантового тела, и только потом поднимается на поверхность жизни.

Точка зрения

В прошлом году вы были не «вы» сегодняшний. В теле не осталось ни одного атома от вас образца года прошлого

Квантовая программа

Вы, по наивности, считаете, что являетесь хозяином своей судьбы: свобода воли и так далее. Как бы ни так! Любое ваше желание – результат химических реакций, результат квантового взаимодействия.

Вы обычный робот, только повинуетесь не программе, написанной программистом, а неведомой программе, составленной из квантовых взаимодействий и химических реакций.

Квантовый контроль

Наше тело не застывшая скульптура, это — река, меняющая свое русло постоянно.

В течение года почти 100 % атомов тела заменяются на новые.

То есть в прошлом году вы были не «вы» сегодняшний. В теле не осталось ни одного атома от вас образца августа 16-го.

Весь этот непрерывный поток изменений контролируется на квантовом уровне.

Все слышали выражение: «Мысль материальна».

Так вот, мысли, эмоции человека это — квантовая телепортация, посылка квантового конверта от одного объекта другому.

Квантовый вопрос и квантовый ответ

Чтобы не запутаться окончательно, давайте «завязывать» с этими запутанными состояниями.

А ответ на главный вопрос о телепортации на Багамы звучит просто: «Конечно, возможно, но не сегодня, так что с арендой телепорта придется подождать».

ВИДЕО: Квантовая телепортация реально? Как это работает?

https://youtu.be/1DYdNw7B6OE

al-shell.ru