Квантовая передача информации станет надежнее. Квантовая запутанность передача информации
Квантовая передача информации станет надежнее
Российский и чешско-словацкий физики предложили метод сохранения квантовой запутанности фотонов при прохождении усилителя или передаче на большое расстояние.
Российский и чешско-словацкий физики предложили метод сохранения квантовой запутанности фотонов при прохождении усилителя или передаче на большое расстояние.
Квантовая запутанность или сцепленность частиц – явление связи их квантовых характеристик. Она может возникать при рождении частиц в одном событии или их взаимодействии. Эта связь может сохраняться, даже если частицы расходятся на большое расстояние, что позволяет передавать с их помощью информацию. Дело в том, что если измерить квантовые характеристики одной из связанных частиц, то автоматически становятся известны и характеристики второй. Эффект не имеет аналогов в классической физике. Он был экспериментально доказан в 1970 – 80-х годах, и его активно изучают в последние несколько десятилетий. В перспективе он может стать основой целого ряда информационных технологий будущего.
Забавную житейскую аналогию этого явления придумал один из его исследователей, физик-теоретик Джон Белл. Его коллега Рейнгольд Бертлман страдал рассеянностью и часто приходил на работу в носках разного цвета. Предсказать эти цвета было невозможно, но Белл шутил, что достаточно увидеть розовый носок на левой ноге Бертлмана, чтобы сделать вывод, что на правой ноге у него носок другого цвета, даже не видя его.
Одна из проблем практического использования явления квантовой запутанности заключается в нарушении связи при взаимодействии частиц с окружающим миром. Такое может произойти при усилении сигнала или при его передаче на большое расстояние. Эти два фактора могут действовать и вместе, поскольку для передачи сигнала на большое расстояние его надо усиливать. Поэтому фотоны после прохождения через многие километры оптоволокна в большинстве случаев перестают быть квантово запутанными и превращаются в обычные, не связанные между собой кванты света. Чтобы избежать разрушения связи в экспериментах по квантовым вычислениям, приходится использовать охлаждение до близких к абсолютному нулю температур.
Физики Сергей Филиппов (МФТИ и Российский квантовый центр в Сколково) и Марио Зиман (Масариков университет в Брно, Чехия, и Физический институт в Братиславе, Словакия) нашли способ сохранить квантовую запутанность фотонов при прохождении через усилитель или, напротив, при передаче на большое расстояние. Подробности опубликованы в статье (см. также препринт) для журнала Physical Review A.
Суть их предложения заключается в том, что для передачи сигналов определенного вида необходимо, чтобы «волновая функция частиц в координатном представлении не должна иметь вид гауссова волнового пакета». В этом случае вероятность разрушения квантовой запутанности становится намного ниже.
Волновая функция – одно из базовых понятий квантовой механики. Она используется для описания состояния квантовой системы. В частности, явление квантовой запутанности описывается на основе представлений об общем состоянии связанных частиц с определенной волновой функцией. В соответствии с копенгагенской интерпретацией квантовой механики физический смысл волновой функции квантового объекта в координатном представлении заключается в том, что квадрат ее модуля определяет вероятность обнаружить объект в данной точке. С ее помощью можно также получить информацию об импульсе, энергии или еще какой-либо физической величине объекта.
Гауссова функция — одна из важнейших математических функций, нашедшая применение не только в физике, но и во многих других науках вплоть до социологии и экономики, имеющих дело с вероятностными событиями и использующих статистические методы. Очень многие процессы в природе приводят к этой функции при математической обработке результатов наблюдений. Ее график выглядит как колоколообразная кривая.
Обычные фотоны, которые используются сейчас в большинстве экспериментов по квантовому запутыванию, тоже описываются гауссовой функцией: вероятность найти фотон в той или иной точке в зависимости от координат точки имеет колоколообразный гауссов вид. Как показали авторы работы, в этом случае переслать запутанность далеко не получится, даже если сигнал очень мощный.
Использование фотонов, волновая функция которых имеет иную, негауссову, форму, должна существенно повысить число доходящих до адресата запутанных фотонных пар. Однако это не означает, что сигнал можно будет передать через сколь угодно непрозрачную среду или на сколь угодно большое расстояние, – если соотношение сигнал/шум падает ниже некоторого критического порога, то эффект квантовой запутанности исчезает в любом случае.
Физики уже научились создавать запутанные фотоны, разнесенные на несколько сотен километров, и нашли им несколько очень перспективных применений. Например, для создания квантового компьютера. Это направление представляется многообещающим благодаря высокому быстродействию и низкому энергопотреблению фотонных устройств.
Другое направление – квантовая криптография, позволяющая создать линии связи, в которых всегда можно обнаружить «прослушивание». Она основана на том, что любое наблюдение за объектом есть воздействие на него. А воздействие на квантовый объект всегда меняет его состояние. Это означает, что попытка перехватить сообщение должна привести к разрушению спутанности, о чем сразу станет известно получателю.
Кроме того, квантовая запутанность позволяет реализовать так называемую квантовую телепортацию. Ее не надо путать с телепортацией (переносом в пространстве) предметов и людей из фантастических фильмов. В случае квантовой телепортации на расстояние передается не сам объект, а информация о его квантовом состоянии. Все дело в том, что все квантовые объекты (фотоны, элементарные частицы), а вместе с ними и атомы одного вида являются абсолютно одинаковыми. Поэтому, если атом в точке приема приобретает квантовое состояние, идентичное атому в точке передачи, то это эквивалентно созданию копии атома в точке приема. Если бы существовала возможность переноса квантового состояния всех атомов предмета, то в месте приема возникла бы его идеальная копия. С целью передачи информации можно телепортировать кубиты – наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере.
По материалам сайта МФТИ
econet.ru
Можно ли применить квантовую запутанность для коммуникаций быстрее света?
В прошлом месяце миллиардер Юрий Мильнер и астрофизик Стивен Хокинг объявили о проекте Breakthrough Starshot: невероятно амбициозном плане отправить первый сделанный людьми космический аппарат в другую звездную систему в нашей галактике. Гигантский лазерный массив мог бы запустить аппарат размером с микрочип к другой звезде на скорости в 20% от световой. Но непонятно, как это небольшое устройство сможет связаться с нами через огромное межзвездное пространство. Как насчет квантовой запутанности? Можно ли применить ее для такой связи?
Такая идея, безусловно, заслуживает внимания.
Представьте себе две монеты, каждая из которых может выпасть орлом или решкой. Одна монета у вас, другая у меня, а мы находимся чрезвычайно далеко друг от друга. Мы подбрасываем свои монетки в воздух, ловим их и шлепаем на стол. Перед тем как взглянуть на выпавшую фигуру, мы ожидаем, что решка выпадет с вероятностью в 50/50, и орел, конечно, также. В обычной, незапутанной Вселенной, ваш и мой результаты будут независимы друг от друга. Если у вас выпадет решка, моя монета с вероятностью в 50% упадет орлом или решкой. Но при определенных условиях эти результаты могут быть запутаны: если вы проводите этот эксперимент и получает решку, вы будете знать, что моя монета с вероятностью в 100% покажет орла, еще до того, как я вам об этом сообщу. Вы узнаете об этом мгновенно, даже если мы будем разделены световыми годами и не пройдет ни единой секунды.
В квантовой физике мы обычно запутываем не монеты, а отдельные частицы, вроде электронов и фотонов, где, например, каждый фотон может иметь спин +1 или -1. Если измерить спин одного фотона, вы мгновенно узнаете спин другого, даже если он будет за полвселенной от нас. Пока вы не измерите спин одного фотона, они оба существуют в неопределенном состоянии; но как только измерили один, вы сразу же узнаете о нем. На Земле мы проводили такой эксперимент, разделив два запутанных фотона многими километрами и измерив их спины в течение наносекунды. Оказалось, что если мы измеряем спин одного и он оказывается +1, мы узнаем о том, что спин другого -1 в 10000 раз быстрее, чем могла бы позволить нам скорость света.
И вот вопрос: могли бы мы использовать это свойство — квантовую запутанность — чтобы связаться с далекой звездной системой? Ответ: да, если считать проведение измерения в удаленном месте формой связи. Но когда вы говорите «связь», обычно вы хотите что-то узнать о том месте, с которым связываетесь. Вы можете, например, держать запутанную частицу в неопределенном состоянии, отправить ее на борту космического аппарата к ближайшей звезде и сказать ему искать признаки твердых планет в пределах обитаемой зоны этой звезды. Увидев такую, он проводит измерение, которое приводит к тому, что ваша частица окажется в состоянии +1, а если нет, то проведение измерения покажет, что ваша частица в состоянии -1.
Таким образом, предположите вы, частица на Земле должна быть в состоянии -1, когда вы измеряете ее, что скажет о том, что космический аппарат нашел планету в обитаемой зоне, или же в состоянии +1, что скажет о том, что аппарат планету не нашел. Если вы знаете о том, что измерение было проведено, вы сможете сделать собственное измерение и мгновенно узнать о состоянии другой частицы, даже если она за много световых лет от вас.
Волновой рисунок для электронов, проходящих через двойную щель. Если измерить, через какую щель проходит электрон, этим вы уничтожите рисунок квантовой интерференции.
План прекрасен. Но есть проблема: запутанность работает, только если вы спрашиваете частицу: в каком ты состоянии? Если вы помещаете запутанную частицу в определенное состояние, вы разрушаете запутанность, и измерение проводимое на Земле будет полностью независимым от измерения далекой звезды. Если вы просто измерили далекую частицу (и выяснили: +1 или -1), тогда ваше измерение на Земле тоже будет -1 или +1 (соответственно) и даст вам информацию о частице, расположенной за световые годы от вас. Если же вы погрузите частицу в состояние +1 или -1, то вне зависимости от результата ваша частица на Земле будет с 50% вероятностью +1 или -1 и ничего не скажет о частице за много световых лет.
Это одна из самых непонятных вещей в квантовой физике: запутанность можно использовать для получения информации о компоненте системы, когда вы знаете полное ее состояние и проводите измерение другого компонента (-ов), но не для создания и передачи информации из одной части запутанной системы в другую. Поэтому никакой возможности для связи быстрее света не появляется.
Квантовая запутанность — это удивительное свойство, которое мы можем использовать для кучи разных задач, вроде совершенной системы шифрования информации. Но связь быстрее света? Чтобы понять, почему это невозможно, нам нужно понять ключевое свойство квантовой физики: что насильственное погружение хотя бы части запутанной системы в одно состояние не позволяет вам получить информацию об этом погружении через измерение оставшейся части системы. Как однажды точно подметил Нильс Бор, «если квантовая механика еще глубоко не шокировала вас, вы это еще не поняли».
Вселенная играет с нами в кости постоянно, к большому огорчению Эйнштейна. Даже наши лучшие попытки схитрить в этой игре природа выявляет на корню.
hi-news.ru
Квантовая сцепленность, информация и сигнал / Хабр
Квантовая сцепленность
Для начала попробую пояснить эффект квантовой сцепленности:Есть пара носков. Каждый носок из пары сразу после момента создания сцепленности помещен в отдельный ящик и отправлен своему адресату. В момент, когда один из адресатов открывает посылку, он видит правый (или левый) носок и тут же получает информацию о том, какой носок у второго адресата, как бы далеко тот ни находился. Причем заранее точно предсказать, будет ли носок правый или левый, невозможно. А самое главное, что и делает квантовую физику столь отличной от физики классической: пока носки не открыли, они и сами «не знают», какой правый, а какой левый. Но как только один из носков подвергся наблюдению и «определился», второй в тот же момент обретает строго противоположное свойство. Более подробно, с доказательством, можно узнать по запросу «Теорема Белла».
Как видим, передать осмысленную информацию напрямую через это свойство невозможно. Но есть обходной путь.
Принцип передачи носителя информации и сигнала
Итак, квантовому спутнику связи QUESS удалось передать запутанные фотоны между парами обсерваторий, находившихся на расстоянии до 1203 километров. Ученые подтвердили соотношение: одно событие успешной передачи на шесть миллионов отправленных фотонных пар. Соотношение сигнал/шум, казалось бы, не вызывает оптимизма, однако сам факт успешности передачи переводит задачу работы с подобным носителем информации из невозможных в инженерную задачу борьбы избыточности и шума.Первый этап: устройство разделяет сцепленные пары и передает на вышки «А» (будущий условно передатчик) и «В» (будущий условно приемник) на хранение запутанные фотоны последовательной цепочкой. Носитель информации передан.
Второй этап: вышка «А» проводит измерение (наблюдение) первого фотона в цепочке, определяя момент начала передачи сообщения, запускает таймер «Т», за время которого проводит измерение тех фотонов в цепочке, которые будут условными единицами и не затрагивает те фотоны, которые будут условным нулем; посредством слабого измерения аппаратура вышки «В» определяет изменение состояния первого фотона и запускает таймер «Т».
Третий этап: по окончании заданного времени «Т» аппаратура вышки «В» фиксирует состояние фотонов в цепочке посредством слабого взаимодействия, где потерявшие сцепленность фотоны — 1, оставшиеся сцепленными — 0.
Так же, например, триггером начала и конца наблюдения цепочки может быть таймер синхронизированного заранее времени.
Таким образом, нас не интересует, каков именно фотон в паре. Нас интересует сам факт: сохранилась сцепленность, или нет. Сигнал передан.
Это концепция из идеального мира, где ни один фотон не потерялся, цепочка была собрана правильно, и так далее. Проблемы реального мира — это проблемы борьбы избыточности и шума, а также сложность в создании систем хранения, воздействия, и контроля частиц. Но главное — принципиальная возможность передачи сигнала посредством квантовой сцепленности.
Взаимосвязь носителя информации и сигнала
Сама возможность подобного способа работы с сигналом позволяет нам взглянуть на информацию под новым углом. Получается, что в момент передачи носителя информации (цепочки сцепленных частиц) в рамках действующих законов, не быстрее скорости света, мы передаем всю возможную информацию, которую только можно таким образом закодировать.Приведу аналогию: вы заказали книгу в библиотеке, встречаете курьера, а у него за спиной, невидимые вам, все книги из библиотеки, знаете вы о них, или нет. Вы называете автора и название, забираете свою одну книгу, и остальные тут же уничтожаются. До следующего курьера из библиотеки.
Еще аналогия: я пишу слово «коса» и у вас в мозгу возникают образы, которые могут быть инициированы этим носителем информации. Однако для передачи сигнала требуется конкретизация: «русая» или «деревянная» или «песчаная». На других языках это сочетание символов «коса» может означать что-то иное, и информация содержится в носителе независимо от того, знаем ли мы ее. Мы просто не имеем уточняющего триггера и памяти для нужного сигнала.
Так и с цепочкой частиц: в момент передачи к вышкам мы передали всю возможную информацию (возможные варианты), оставаясь в рамках знакомой физики, не быстрее скорости света, а фактом измерения лишь произвели уточнение.
В целом, нас ждет увлекательное время в попытках объяснить (и понять), что условный шпион, протащив пару запутанных частиц на объект и нажав в определенное время кнопку (или не нажав, оставив частицы сцепленными) не передал через парные частицы «в штабе» информацию быстрее скорости света. Он пер свою часть информации как улитка на своем горбу. А кнопкой лишь уточнил, выбрал, конкретизировал. Нам еще предстоит разобраться, что он сделал. Но военным понравится. Понравятся шахты, которые невозможно экранировать от команды, и без управляющих проводов. Понравится возможность отдать приказ на любое расстояние, через любые глушилки, на заранее взятый с собой приемник с контейнером частиц. Думаю, именно они, опять, будут двигать технологию.
Или хирург, для которого вышки по всему миру всю ночь накапливали носители информации (запутанные частицы) на разных концах планеты со всем почтением к скорости света, будет делать операцию и видеть мгновенные реакции хирургического робота за десятки тысяч километров от своего кабинета. Он будет потом в интервью говорить, что все происходило мгновенно. А читающий это физик будет ворчать, что вся информация обо всех возможных действиях хирурга была передана еще ночью (с точки зрения физики), с нормальной скоростью. А хирург лишь «уточнил» своими действиями, как именно он прооперировал.
Или взаимодействие информации и, например, свойства локальности мира. Это свойство означает, что событие в одной точке, скажем, планеты не может мгновенно повлиять на физическую действительность в другой точке планеты. Тогда, если условное нажатие кнопки посредством эффекта квантовой запутанности мгновенно зажжет лампочку на другой стороне планеты, значит информация о влияющем событии содержалась в носителе информации до того, как влияющее событие произошло.
Получается, мы находимся на пороге следующего шага эволюции сигнала. При помощи квантового мира мы разделяем скорость прохождения сигнала и скорость распространения носителя информации. Обеспечив запас сцепленных пар с нормальной скоростью, в тот момент, когда критично передать сигнал практически мгновенно, мы можем, пусть пока теоретически, это осуществить.
habr.com
Эффективно запутанные фотоны | Наука и жизнь
Новый способ запутывать фотоны оказался эффективнее всех прочих.
Квантовая физика знаменита своей неинтуитивностью: концентрация парадоксов в ней кладёт на лопатки теорию относительности и космологию вместе взятые. Наиболее обсуждаемые в наши дни разделы квантовой физики, в которых парадоксальность воплотилась во всей полноте – это квантовая информация и квантовая оптика.
Пучки фотонов, заснятые с помощью ПЗС-матрицы. Цвета соответствуют интенсивности: от черного (минимальной) до белого (максимальной). (Фото: Егор Ковлаков.)‹
›
Квантовая защита информации – святой Грааль для технологии безопасной передачи данных. В основе так называемой квантовой криптографии лежит удивительное квантовое явление – запутанность фотонов (элементарных частиц, переносящих электромагнитное взаимодействие и, в частности, свет).
Суть его в том, что два определённым образом полученных фотона оказываются связаны между собой, так что изменение состояния одного из них вызывает мгновенное изменение в состоянии другого, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Запутанность можно использовать для безопасной передачи данных: если некое третье лицо попробует скопировать информацию, о том мгновенно станет известно ее настоящим владельцам. Однако запутать фотоны и потом еще сохранить их запутанность при неизбежном взаимодействии с окружающим миром – задача весьма и весьма непростая.
Станислав Страупе из МГУ рассказывает об этом так: «Перепутанные состояния вообще типичны и повсеместны. Проблема только в том, что для большинства частиц взаимодействие с окружением быстро разрушает перепутывание. Фотоны же практически ни с чем не взаимодействуют, поэтому они являются очень удобным объектом для экспериментов в этой области».
Большая часть источников света, с которыми мы сталкиваемся в жизни – Солнце, лампы накаливания, лазеры, светодиоды – называют классическими: испускаемые ими фотоны подчиняются некоторому статистическому распределению. В неклассическом свете из источника вылетает один или два фотона в единицу времени, и создать такой источник довольно сложно. Для этого можно, например, изолировать одиночный атом или квантовую точку и регистрировать одиночные фотоны, испускаемые в результате возбуждения.
Чтобы получить запутанные фотоны, чаще всего используют эффект спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейных кристаллах. Для этого кристалл с определёнными оптическими свойствами облучают так называемым лазером накачки. Фотон из лазерного пучка, попадая в кристалл, распадается на два фотона, энергия которых в сумме равна энергии фотона накачки. В силу законов сохранения фотоны оказываются коррелированы, или запутаны, однако главная проблема такого способа запутывания заключается в низкой эффективности и необходимости фильтровать фотоны на выходе, чтобы получить пары с необходимыми свойствами.
Станислава Страупе и его коллеги предложили новый метод создания пространственного перепутывания, который более эффективен, чем прочие. По словам Егора Ковлакова, в своих экспериментах они получают пучки фотонов, которые оказываются коррелированы по так называемой пространственной форме. Ключевое отличие нового подхода заключается в том, что форма и тип пучка накачки подбираются так, чтобы оптимизировать эффективность испускания запутанных фотонов, избавляя экспериментаторов от необходимости фильтровать выходящее из нелинейного кристалла излучение. Полностью результаты исследователей опубликованы в Physical Review Letters .
Метод можно использовать не только в квантовой криптографии, хотя на данный момент это наиболее развитая область применения фотонной запутанности. «В отличии от классических систем связи, где неважно, какой именно алфавит используется для кодирования сообщения и достаточно использовать бинарный код (0 и 1), в квантовой связи все сложнее. Оказывается, что повышение размерности алфавита не только увеличивает количество информации, кодируемое в одном фотоне, но и увеличивает секретность связи. Поэтому системы квантовой связи, основанные в том числе и на кодировании информации в пространственной форме фотонов, интересны как физикам, так и индустрии», – отмечает Станислав Страупе.
Возможно, новый способ запутывать фотонов позволит создать оптический канал со спутником на орбите, куда нельзя протянуть оптическое волокно.
www.nkj.ru
Квантовая запутанность | Shamov.info
Квантовая запутанность
Квантовая запутанность - квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий, что находится в логическом противоречии с принципом локальности. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.
В 2008 году группе швейцарских исследователей из Университета Женевы удалось разнести два потока запутанных фотонов на расстояние 18 километров. Помимо прочего, это позволило произвести временны́е измерения с недостижимой ранее точностью. В результате было установлено, что если некое скрытое взаимодействие и происходит, то скорость его распространения должна как минимум в 100 000 раз превышать скорость света в вакууме. При меньшей скорости временные задержки были бы замечены.
Летом того же года другой группе исследователей из австрийского Института квантовой оптики и квантовой информации, включая Цайлингера, удалось поставить ещё более масштабный эксперимент, разнеся потоки запутанных фотонов на 144 километра, между лабораториями на островах Ла Пальма и Тенерифе. Обработка и анализ столь масштабного эксперимента продолжаются, последняя версия отчёта была опубликована в 2010 году[19]. В данном эксперименте удалось исключить возможное влияние недостаточного расстояния между объектами в момент измерения и недостаточной свободы выбора настроек измерения. В результате были ещё раз подтверждены квантовая запутанность и, соответственно, нелокальная природа реальности. Правда, осталось третье возможное влияние — недостаточно полной выборки. Эксперимент, в котором все три потенциальных влияния будут исключены одновременно, на сентябрь 2011 года является вопросом будущего.
В большинстве экспериментов с запутанными частицами используются фотоны. Это объясняется относительной простотой получения запутанных фотонов и их передачи в детекторы, а также бинарной природой измеряемого состояния (положительная или отрицательная спиральность). Однако явление квантовой запутанности существует и для других частиц и их состояний. В 2010 году международный коллектив учёных из Франции, Германии и Испании получил и исследовал[20] запутанные квантовые состояния электронов, то есть частиц с массой, в твёрдом сверхпроводнике из углеродных нанотрубок. В 2011 году исследователям из Института квантовой оптики общества Макса Планка удалось создать состояние квантовой запутанности между отдельным атомом рубидия и конденсатом Бозе-Эйнштейна, разнесёнными на расстояние 30 метров[21].
В простейшем случае источником S потоков запутанных фотонов служит определённый нелинейный материал, на который направляется лазерный поток определённой частоты и интенсивности (схема с одним эммитером)[33]. В результате спонтанного параметрического рассеяния (СПР) на выходе получаются два конуса поляризации H и V, несущие пары фотонов в запутанном квантовом состоянии (бифотоны)[34]
Теория квантовой механики запрещает передачу информации со сверхсветовой скоростью. Это объясняется принципиально вероятностным характером измерений итеоремой о запрете клонирования. Представим разнесённых в пространстве наблюдателей А и Б, у которых имеется по экземпляру квантово-запутанных ящиков с котами Шрёдингера, находящимися в суперпозиции «жив-мёртв». Если в момент t1 наблюдатель А открывает ящик, то его кот равновероятно оказывается либо живым, либо мёртвым. Если живым, то в момент t2 наблюдатель Б открывает свой ящик и находит там мёртвого кота. Проблема в том, что до исходного измерения нет возможности предсказать, у кого именно что окажется, а после один кот жив, другой мёртв, и назад ситуацию не повернуть.
Обход классических ограничений был найден в 2006 году А. Коротковым и Э. Джорданом[44] из Калифорнийского университета за счёт слабых квантовых измерений (англ. weak quantum measurement). Продолжая аналогию, оказалось, что можно не распахивать ящик, а лишь чуть-чуть приподнять его крышку и подсмотреть в щёлку. Если состояние кота неудовлетворительно, то крышку можно сразу захлопнуть и попробовать ещё раз. В 2008 году другая группа исследователей из Калифорнийского университета объявила об успешной экспериментальной проверке данной теории. «Реинкарнация» кота Шрёдингера стала возможной. Наблюдатель А теперь может приоткрывать и закрывать крышку ящика, пока не убедится, что у наблюдателя Б кот окажется в нужном состоянии.[45]
Открытие возможности «обратного коллапса» во многом перевернуло представления о базовых принципах квантовой механики:
Возникла идея не просто передачи потоков запутанных частиц в разнесённые в пространстве приёмники, но и хранения таких частиц неопределённо долгое время в приёмниках в состоянии суперпозиции для «последующего использования». Ещё из работ Раньяды 1990 года[46] было известно о таких расслоениях Хопфа, которые могли быть топологическими решениями уравнений Максвелла. В переводе на обычный язык это означало, что теоретически (математически) могут существовать ситуации, при которых пучок фотонов или отдельный фотон будет бесконечно циркулировать по сложной замкнутой траектории, выписывая тор в пространстве. До недавнего времени это оставалось просто ещё одной математической абстракцией. В 2008 году американские исследователи занялись анализом получаемых расслоений и их возможной физической реализацией. В результате были найдены[уточнить] стабильные решения и технические способы[источник не указан 52 дня], позволяющие реализовать такие решения. Оказалось, что пучок света действительно можно «свернуть в бублик» (точнее — в замкнутый тороидальный узел) и «положить на место», и такое состояние останется стабильным и самоподдерживающимся. На сентябрь 2011 об успешных лабораторных реализациях не сообщалось, но теперь это вопрос технических трудностей[уточнить], а не физических ограничений[47].
Помимо проблемы «складирования» запутанных частиц остаётся нерешённой проблема декогеренции, то есть утраты частицами запутанности со временем из-за взаимодействия с окружающей средой. Даже в физическом вакууме остаются так называемые виртуальные частицы[источник не указан 52 дня]. Несмотря на эпитет «виртуальный» в названии, они вполне успешно деформируют физические тела, как показывает эффект Казимира[источник не указан 52 дня], следовательно, теоретически могут влиять на запутанные частицы.
Квантовая телепортация (не путать с телепортацией), основанная на запутанных квантовых состояниях, используется в таких интенсивно исследуемых областях, какквантовые вычисления и квантовая криптография.
Идея квантовых вычислений была впервые предложена Ю. И. Маниным в 1980 году[48]. На сентябрь 2011 года полномасштабный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, построение которого связано со многими вопросами квантовой теории и с решением проблемы декогеренции. Ограниченные (в несколькокубитов) квантовые «миникомпьютеры» уже создаются в лабораториях. Первое удачное применение с полезным результатом продемонстрировано международным коллективом учёных в 2009 году. По квантовому алгоритму была определена энергия молекулы водорода[49]. Впрочем, некоторыми исследователями высказывается мнение, что для квантовых компьютеров запутанность является, наоборот, нежелательным побочным фактором[50].
Квантовая криптография используется для пересылки зашифрованных сообщений по двум каналам связи, квантовому и традиционному. Первый протокол квантового распределения ключа BB84 был предложен[51] Беннетом (англ.)русск. и Брассардом (англ.)русск. в 1984 году. С тех пор квантовая криптография являлась одним из бурно развивающихся прикладных направлений квантовой физики, и к 2011 году несколькими лабораториями и коммерческими фирмами были созданы работающие прототипы передатчиков и приёмников[52].Следует отметить, что идея и привлекательность квантовой криптографии базируется не на какой-то повышенной или же «абсолютной» криптостойкости, а на гарантированном уведомлении, как только кто-либо попытается перехватить сообщение. Последнее же базируется на известных к началу разработок законах квантовой физики и в первую очередь на необратимости коллапса волновой функции[53]. В связи с открытием и успешным тестированием обратимых слабых квантовых измеренийосновы надёжности квантовой криптографии оказались под большим вопросом[54][55]. Возможно, квантовая криптография войдёт в историю, как система, для которой прототип «абсолютно надёжного» передатчика и прототип перехватчика сообщений были созданы почти одновременно и до начала практического использования самой системы.
Многомирова́я интерпрета́ция (англ. Many-worlds interpretation) — это интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование, в некотором смысле, «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. В действительности, термин «многомировая» только вводит в заблуждение; многомировая интерпретация не предполагает реального наличия именно других миров, она предлагает лишь один реально существующий мир, который описывается единой волновой функцией, которую, однако, для завершения процесса измерения какого-либо квантового события, необходимо разделить на наблюдателя (который проводит измерение) и объект, описываемые каждый своей волновой функцией. Однако сделать это можно по-разному, а потому в результате получаются разные значения измеряемой величины и, что характерно, разные наблюдатели. Поэтому считается, что при каждом акте измерения квантового объекта, наблюдатель как бы расщепляется на несколько (предположительно, неограниченно много) версий. Каждая из этих версий видит свой результат измерения и, действуя в соответствии с ним, формирует собственную предшествующую измерению историю и версию Вселенной. С учетом этого данную интерпретацию как правило и называют многомировой, а саму многовариантную Вселенную — Мультиверсом.
Книга «Будда и Квант», книжный магазин в Ванкувере. Из предисловия: «… мы сможем понять современную физику, только если поместим пространство и время внутрь сознания.»
shamov.info
Как устроена телепортация и при чем тут квантовая физика
Ключ к замку</b>
Криптография — это искусство общения защищенным образом по незащищенному каналу. То есть у вас есть некая линия, которую могут прослушивать, и вам нужно передать по ней секретное сообщение, которое никто посторонний не сможет прочесть.
Представим, что, скажем, если у Алисы и Боба есть так называемый секретный ключ, а именно — тайная последовательность нулей и единиц, которой нет ни у кого другого, они могут зашифровать сообщение с помощью этого ключа, применив операцию исключающего ИЛИ, чтобы ноль совпадал с нулем, а единица — с единицей. Такое зашифрованное послание уже можно передать по открытому каналу. Если его кто-то перехватит, это не страшно, ведь его никто не сможет прочесть, кроме Боба, у которого есть копия секретного ключа.
В любой криптографии, в любой коммуникации самым дорогим ресурсом является случайная последовательность нулей и единиц, которой владеют только два общающихся. Но в большей части случаев используется криптография с открытым ключом. Допустим, вы покупаете что-то с помощью кредитной карты в интернет-магазине по безопасному протоколу HTTPS. По нему ваш компьютер переговаривается с каким-то сервером, с которым до этого никогда не общался, и у него не было возможности обменяться с этим сервером секретным ключом.
Тайна этого диалога обеспечивается решением сложной математической задачи, в частности — разложения на простые множители. Перемножить два простых числа легко, а если уже дана задача найти их произведение, найти два сомножителя, то это трудно. Если число достаточно большое, оно потребует от обычного компьютера многолетних вычислений.
Однако если этот компьютер не обычный, а квантовый, он такую задачу решит легко. Когда он будет наконец изобретен, приведенный выше широко используемый метод окажется бесполезным, что, как ожидается, будет иметь катастрофические последствия для общества.
Если помните, в первой книге про Гарри Поттера главному герою нужно было пройти через защиту, чтобы добраться до Философского камня. Тут нечто похожее: тому, кто установил защиту, будет легко пройти ее. Гарри пришлось очень трудно, но в итоге он ее все же преодолел.
Этот пример очень хорошо иллюстрирует криптографию с открытым ключом. Тот, кто его не знает, в принципе имеет возможность расшифровать сообщения, однако ему будет очень трудно, и на это потенциально потребуется много лет. Абсолютной безопасности криптография с открытым ключом не дает.
Квантовая криптография
Все это объясняет необходимость квантовой криптографии. Она дает нам лучшее из обоих миров. Есть метод одноразового блокнота, надежный, но, с другой стороны, требующий «дорогого» секретного ключа. Чтобы Алиса могла общаться с Бобом, она должна послать ему курьера с чемоданом, полным дисков с такими ключами. Он их будет постепенно расходовать, так как каждый из них можно использовать только один раз. С другой стороны, у нас есть метод открытого ключа, который «дешев», но не дает абсолютной надежности.
Бинарный код
Квантовая криптография, с одной стороны, «дешевая», она позволяет безопасную передачу ключа по каналу, в который могут залезть, а с другой стороны — гарантирует секретность благодаря фундаментальным законам физики. Смысл ее заключается в том, чтобы кодировать информацию в квантовом состоянии отдельных фотонов.В соответствии с постулатами квантовой физики, квантовое состояние в момент, когда его пытаются измерить, разрушается и изменяется. Таким образом, если на линии между Алисой и Бобом есть какой-то шпион, пытающийся подслушать или подсмотреть, он неизбежно изменит состояние фотонов, общающиеся заметят, что линию прослушивают, прекратят коммуникацию и примут меры.
В отличие от многих других квантовых технологий, квантовая криптография является коммерческой, это не научная фантастика. Уже сейчас есть компании, производящие серверы, подключаемые к обычной оптоволоконной линии, с помощью которых можно осуществлять безопасное общение.Как работает поляризационный светоделитель
Свет — это поперечная электромагнитная волна, колеблющаяся не вдоль, а поперек. Это свойство называется поляризацией, и оно присутствует даже в отдельных фотонах. С помощью них можно кодировать информацию. Например, горизонтальный фотон — это ноль, а вертикальный — единица (то же верно для фотонов с поляризацией плюс 45 градусов и минус 45 градусов).
Алиса закодировала таким образом информацию, и Бобу нужно ее принять. Для этого используется специальный прибор — поляризационный светоделитель, куб, состоящий из двух призм, склеенных между собой. Он пропускает горизонтально поляризованный поток и отражает вертикально поляризованный, благодаря чему происходит декодирование информации. Если горизонтальный фотон — ноль, а вертикальный — единица, то тогда в случае логического ноля щелкнет один детектор, а в случае единицы — другой.
Но что будет, если мы пошлем диагональный фотон? Тогда начинает играть роль знаменитая квантовая случайность. Нельзя сказать, пройдет такой фотон или отразится — он с вероятностью 50 процентов сделает либо одно, либо другое. Предсказать его поведение невозможно в принципе. Более того, это свойство лежит в основе коммерческих генераторов случайных чисел.
Что же делать, если у нас стоит задача различить поляризации плюс 45 градусов и минус 45 градусов? Нужно повернуть светоделитель вокруг оси луча. Тогда закон квантовой случайности будет действовать для фотонов с горизонтальной и вертикальной поляризациями. Это свойство фундаментально. Мы не можем задать вопрос о том, какая поляризация у этого фотона.
Комплект телепортацииПринцип квантовой криптографииВ чем же заключается идея квантовой криптографии? Предположим, Алиса посылает Бобу фотон, который она кодирует либо горизонтально-вертикальным образом, либо диагональным. Боб тоже подбрасывает монетку, решая случайным образом, каким будет его базис: горизонтально-вертикальным или диагональным. Если их способы кодировки совпадут — Боб получит данные, которые послала Алиса, если же нет — то какую-то ерунду. Они проводят эту операцию много тысяч раз, а потом «созваниваются» по открытому каналу и сообщают друг другу, в каких базисах совершали передачу, — можно считать, что эта информация теперь доступна кому угодно. Далее Боб и Алиса смогут отсеять события, в которых базисы были разные, и оставить те, в которых они были одинаковые (их будет примерно половина).
Допустим, в линию вклинился какой-то шпион, желающий подслушать сообщения, но ему тоже необходимо измерять информацию в каком-то базисе. Представим, что у Алисы и Боба он совпал, а у шпиона — нет. В ситуации, когда данные были посланы в горизонтально-вертикальном базисе, а подслушивающий измерил передачу в диагональном, он получит случайное значение и перешлет дальше какой-то произвольный фотон Бобу, так как не знает, каким он должен быть. Таким образом, его вмешательство будет замечено.
Самая главная проблема квантовой криптографии — это потери. Даже самое лучшее и современное оптоволокно дает 50 процентов потерь на каждые 10-12 километров кабеля. Допустим, мы посылаем наш секретный ключ из Москвы в Петербург — на 750 километров, и только один из миллиарда миллиардов фотонов достигнет цели. Все это делает технологию совершенно непрактичной. Именно поэтому современная квантовая криптография работает только на расстоянии примерно 100 километров. Теоретически известно, как эту проблему решить, — с помощью квантовых повторителей, но для их реализации нужна квантовая телепортация.
Оптоволокно в приближенииКвантовая запутанностьНаучное определение квантовой запутанности — это делокализованное состояние суперпозиции. Звучит сложно, но можно привести простой пример. Предположим, у нас есть два фотона: горизонтальный и вертикальный, квантовые состояния которых взаимозависимы. Один из них мы посылаем Алисе, а другой — Бобу, которые делают измерения на поляризационном светоделителе.
Когда эти измерения совершаются в обычном горизонтально-вертикальном базисе, понятно, что результат будет скоррелирован. Если Алиса заметила горизонтальный фотон, то второй, естественно, будет вертикальным, и наоборот. Это можно представить проще: у нас есть синий и красный шарик, мы не глядя запечатываем каждый из них в конверт и посылаем двум получателям — если одному придет красный, второй обязательно получит синий.
Но в случае квантовой запутанности этим дело не ограничивается. Эта корреляция имеет место не только в горизонтально-вертикальном базисе, но и в любом другом. Например, если Алиса и Боб одновременно повернут свои светоделители на 45 градусов, у них опять будет полное совпадение.
Это очень странное квантовое явление. Допустим, Алиса повернула каким-то образом свой светоделитель и обнаружила какой-то фотон с поляризацией α, который прошел через него. Если Боб измерит свой фотон в том же самом базисе, он обнаружит поляризацию 90 градусов +α.
Итак, в начале мы имеем состояние запутанности: фотон Алисы полностью неопределен и фотон Боба полностью неопределен. Когда Алиса измерила свой фотон, обнаружила какое-то значение, то теперь известно точно, какой фотон у Боба, как бы далеко он ни находился. Этот эффект многократно подтвержден экспериментами, это не фантазия.
Квантовая телепортация
Допустим, у Алисы есть некий фотон с поляризацией α, которую она еще не знает, то есть находящийся в неизвестном состоянии. Между ней и Бобом нет прямого канала. Если бы канал был, то Алиса смогла бы зарегистрировать состояние фотона и донести эту информацию до Боба. Но квантовое состояние за одно измерение узнать невозможно, поэтому такой способ не годится. Однако между Алисой и Бобом есть заранее приготовленная запутанная пара фотонов. За счет этого можно заставить фотон Боба принять первоначальное состояние фотона Алисы, «созвонившись» потом по условной телефонной линии.
Вот классический (хотя и очень отдаленный аналог) всего этого. Алиса и Боб получают в конверте по шарику — синий или красный. Алиса хочет послать Бобу информацию о том, какой у нее. Для этого ей нужно, «созвонившись» с Бобом, сравнить шарики, сказав ему «у меня такой же» или «у нас разные». Если кто-то подслушивает эту линию, то это не поможет ему узнать их цвет.
Кадр из фильма «Звездный путь»Таким образом, существуют четыре варианта исхода событий (условно, у получателей синие шарики, красные шарики, красный и синий или синий и красный — прим. «Ленты.ру»). Они интересны тем, что образуют базис. Если у нас есть два каких-то фотона с неизвестной поляризацией, то им можно «задать вопрос», в каком из этих состояний они находятся, и получить ответ. Но если хотя бы один из них окажется запутан с каким-то другим фотоном, то произойдет эффект удаленного приготовления, и третий, удаленный фотон «приготовится» в определенном состоянии. На этом и основана квантовая телепортация.Как это все работает? У нас есть запутанное состояние и фотон, который мы хотим телепортировать. Алиса должна произвести соответствующее измерение исходного телепортированного фотона и задать вопрос, в каком состоянии находится другой. Случайным образом она получает один из четырех возможных ответов. В результате эффекта дистанционного приготовления оказывается, что после этого измерения в зависимости от результата фотон Боба перешел в определенное состояние. До этого он был запутан с фотоном Алисы, пребывая в неопределенном состоянии.
Алиса сообщает Бобу по телефону, каким был результат ее измерений. Если ее результат, допустим, оказался ψ-, то Боб знает, что его фотон автоматически преобразовался в это состояние. Если же Алиса сообщила, что ее измерение дало результат ψ+, то фотон Боба принял поляризацию -α. В конце эксперимента по телепортации у Боба оказывается копия первоначального фотона Алисы, а ее фотон и информация о нем в процессе разрушаются.Технология телепортации
Сейчас мы умеем телепортировать поляризацию фотонов и некоторые состояния атомов. Но когда пишут, мол, ученые научились телепортировать атомы — это обман, ведь у атомов очень много квантовых состояний, бесконечное множество. В лучшем случае мы придумали, как телепортировать пару из них.
Мой любимый вопрос — когда будет телепортация человека? Ответ — никогда. Допустим, у нас есть капитан Пикард из сериала «Звездный путь», которого нужно телепортировать на поверхность планеты с корабля. Для этого, как нам уже известно, нужно сделать еще пару таких же Пикардов, привести их в запутанное состояние, которое включает все его возможные состояния (трезвого, пьяного, спящего, курящего — абсолютно все) и провести измерения на обоих. Понятно, насколько это сложно и нереализуемо.
Квантовая телепортация — это интересное, но лабораторное явление. До телепортации живых существ дело не дойдет (по крайней мере, в ближайшем будущем). Однако его можно использовать на практике для создания квантовых повторителей, для передачи информации на далекие расстояния.
http://earth-chronicles.ru/news/2016-08-04-94785terrao.livejournal.com
Физики провели обмен квантовой запутанности на расстоянии 100 километров
Схематическое изображение процесса обмена запутанности
Wikimedia commons
Китайские ученые смогли произвести обмен квантовой запутанности между фотонами из квантово-запутанных пар, разделенных оптоволокном длиной более 100 километров. Этот результат превосходит по расстоянию все предыдущие аналогичные попытки и расширяет возможности квантовой телепортации с обменом запутанности до междугородных масштабов. Результаты исследования опубликованы в Optica.
Квантовая запутанность — способность двух фотонов сохранять взаимосвязанное квантовое состояние. При изменении квантового состояния одного из фотонов моментально изменяется состояние и второго. Примечательно, что при сохранении когерентной связи между двумя фотонами, запутанность можно наблюдать для любого расстояния между ними. Это свойство ученые предложили использовать для механизмов квантовой телепортации — моментальной передачи квантовой информации на расстоянии. Для того, чтобы избежать декогеренции фотонов и потери запутанного состояния, была предложена концепция квантового повторителя. В основе этой концепции лежит использование обмена запутанности (entanglement swapping) между фотонами из двух независимых квантово-запутанных пар. Это приводит к тому, что информация о квантовом состоянии может передаваться даже между двумя фотонами, которые находятся на большом расстоянии друг от друга и изначально не были запутаны между собой.
Принципиальная возможность осуществлять квантовую телепортацию с помощью такого обмена была показана как для спутниковой, так и для оптоволоконной передачи фотонов на расстоянии около 100 километров. Однако все эти механизмы осуществлялись только для обмена между фотонными парами, которые были получены с помощью одного источника. Для того, чтобы действительно экспериментально подтвердить обмен запутанности, нужно как минимум два независимых источника запутанных фотонов и отсутствие причинно-следственной связи между событиями, которые приводят к изменению квантового состояния фотонов.
В своем новом исследовании китайские ученые использовали два источника запутанных фотонов с частотой 1 гигагерц, и провели полевой тест по обмену в оптоволоконном кабеле длиной 103 километра. 77 километров этого кабеля находились внутри лаборатории, 25-километровый участок пролегал под землей и еще примерно один километр кабеля находился на открытых участках, подвергаясь воздействию внешних шумов.
Схема эксперимента по обмену запутанности между фотонами на удаленном расстоянии друг от друга
Q.-C. Sun et al./ Optica, 2017
Эксперимент осуществлялся таким образом, что источники и детекторы сигнала были установлены в трех точках. Два независимых источника в точках А и B генерировали оптический сигнал частотой 1 гигагерц. Часть из полученных фотонов оставалась в спиральном оптическом волокне около источника, а другая часть — посылалась без потери когеренции в точку C (желтые линии на схеме). После этого с помощью коротких лазерных импульсов, которые посылались из точки C в точки A и B сигналы синхронизировались (фиолетовые линии на схеме), связывая состояния тех фотонов, которые остались около источника.В результате эксперимента ученым удалось произвести обмен запутанного состояния между фотонами из точек A и B. Потери сигнала при пересылке составляли не более 16 децибел, что примерно на 20 децибел превосходит предыдущие эксперименты. Таким образом ученые показали, что комбинируя участки спирального и разветвленного оптического кабеля, можно создавать системы квантовой телепортации с обменом запутанности, в которой точки разнесены между собой на 100 километров.
Обмен запутанности — крайне важная задача для создания квантовых повторителей и увеличения длины квантовой телепортации. Недавно ученые смогли создать систему, в которой фотоны из двух независимых запутанных пар могут обмениваться еще и орбитальным угловым моментом, что резко увеличило количество возможной для передачи информации. А максимальное расстояние квантовой телепортации без обмена запутанности уже превышает тысячу километров.
Александр Дубов
nplus1.ru
