Состоялся первый сеанс трансконтинентальной спутниковой квантовой связи. Квантовой связи
Первую российскую линию квантовой межбанковской связи сделали гетерогенной
Устройство для квантового распределения ключа в лабораторных условиях
Российский Квантовый Центр
Физики из Российского квантового центра запустили первую в стране гетерогенную квантовую сеть, в которой кодирование информации идет с помощью двух разных физических принципов. Сама система развернута на обычной городской оптоволоконной сети между двумя отделениями «Газпромбанка» в Москве. Предназначение сети — квантовая криптография, создание ключа для кодирования информации, который физически невозможно перехватить. Результаты тестирования опубликованы в виде препринта на сервере arXiv.org, кратко о нем сообщает пресс-релиз РКЦ.
Для передачи сообщений часто используются методы шифрования информации. Это особенно важно, когда речь идет о банковских или дипломатических данных. Стойкость методов шифрования определяется принципиальной возможностью злоумышленника расшифровать сообщение, переданное по открытым каналам. Абсолютно стойким является метод шифрования с блокнотом — он требует наличия у автора сообщения и получателя двух идентичных блокнотов, заполненных случайным набором данных. Для кодирования сообщения к каждому его символу добавляется очередной символ из блокнота, а для расшифровки этот случайный символ надо вычесть. Затем использованные символы из блокнота вычеркиваются. Попытка расшифровать такой шифр без блокнота приведет ко всем возможным наборам символов данной длины, определить среди которых требуемый невозможно.
Главный минус этого метода шифрования — передача блокнота с шифром. Если блокнот перехвачен и скопирован злоумышленником, то вся переписка оказывается доступной третьему лицу. Квантовая криптография предлагает методику передачи блокнота, в которой незаметный перехват невозможен — попросту запрещен законами квантовой физики. Она основана на передаче фотонов в случайных состояниях (например, в случайной поляризации — 0 или 90 градусов или же 45 или 135 градусов) и со случайно выбранным способом измерения этих состояний. Любая попытка перехватить фотоны приведет к изменениям, быстро обнаруживаемым получателем информации. Подробнее об этом можно прочитать в материале «Выдергиваете и сжигаете», посвященном созданию первой российской линии межбанковской квантовой связи.
Кроме поляризации, передавать ключ можно, например, в фазе одиночных фотонов. Разные подходы к кодированию имеют свои преимущества и недостатки. Как рассказывает Алексей Федоров, соавтор работы и научный сотрудник РКЦ, крупные международные проекты в квантовой криптографии могут сочетать в себе несколько типов кодирования. Например, SECOCQ (Вена), объединяющая несколько европейских учреждений, использует шесть разных типов устройств. Подобные сети называются гетерогенными — они требуют создания узлов-повторителей и универсального программного обеспечения, работающего вне зависимости от типа кодирования. По сути, благодаря программному обеспечению к гетерогенным сетям можно легко подключать оборудование более нового поколения или другого производителя без нужды в разработке новых программных продуктов.
Схема гетерогенной сети. На первом участке реализуется поляризационное кодирование, на втором — фазовое. Как отмечают исследователи, поляризационное кодирование позволяет использовать более миниатюрное оборудование.
E.O. Kiktenko et al. / arXiv.org, 2017
В новой работе российские физики реализовали такую гетерогенную сеть вне стен лабораторий — на обычных городских оптоволоконных сетях. В отличие от лабораторных условий, когда состояние каждого сантиметра оптоволокна можно контролировать, в городских сетях очень велик уровень шумов и потерь. Это сильно влияет на производительность устройств — передача данных ведется с помощью одиночных фотонов, а не интенсивных импульсов, выдерживающих частичное рассеяние. Кроме того, ученые использовали обыкновенные миниатюрные однофотонные детекторы вместо чувствительных устройств на сверхпроводниках для создания условий максимально приближенных для коммерческого использования.
Структура сети была устроена следующим образом. Сеть состоит из трех узлов, один из которых играет роль повторителя. Длина линии между одной парой узлов — 30 километров, в ней реализуется поляризационное кодирование. Вторая пара узлов удалена на 15 километров — в ней реализуется фазовое кодирование. В узле-повторителе происходит классическая обработка информации и сопряжение между собой двух участков.
Несмотря на все потери, связанные с неидеальностью городских условий, ученым удалось успешно сгенерировать секретный ключ. Для этого требуется не только передать одиночные фотоны от отправителя к получателю, но и удостовериться в отсутствии ошибок и попыток прослушивания. Для надежной работы сети вероятность ошибки в секретном ключе должна быть ниже чем 10-12. Скорость создания ключа составила около 20 бит в секунду на первом участке сети и около 100 бит в секунду на втором. Как отмечает Алексей Федоров, даже меньшей из этих скоростей будет достаточно для того, чтобы заменять ключ в коммерческих 256-битных шифраторах примерно один раз в 15 секунд. Обычно же эта замена делается раз в год или же ключ устанавливается на весь срок службы оборудования. В будущем скорость генерации секретного ключа будет наращиваться.
Подобные схемы, основанные на узлах-повторителях, уже используются в реальных сетях. Например, в квантовой линии Пекин-Шанхай, насчитывающей около 2 тысяч километров в длину, есть 32 таких доверенных узла. Они позволяют бороться с потерями фотонов на больших расстояниях. Также на их базе можно реализовать центральные серверы для распределения данных, если того требует схема сети.
В России работают еще две квантовые сети. Одна из них располагается в ИТМО (Санкт-Петербург), другая — в Казани. Казанская квантовая сеть состоит из четырех узлов и была запущена в полном объеме лишь 19 мая 2017 года. В мире квантовые сети также есть в Японии, Китае, Европе (Женева и Вена) и США.
Владимир Королёв
nplus1.ru
В России запустили первую межбанковскую линию квантовой связи
Устройство для квантового распределения ключа в лабораторных условиях
Российский Квантовый Центр
Физики из Российского квантового центра (РКЦ) запустили первую в России линию квантовой связи в городских условиях. По оптоволоконному каналу ученые передавали квантовый ключ, предназначенный для расшифровки сообщений, которыми обмениваются отделения банка при помощи традиционных каналов связи. Длина линии составила 30,6 километра, тестирование линии проводилось между офисами «Газпромбанка». Об этом сообщает пресс-релиз, поступивший в редакцию N+1.
В современной криптографии существуют способы абсолютно стойкого шифрования сообщений, к примеру, блокнотные шифры. Злоумышленник, не имея на руках ключа от сообщения, не имеет даже теоретической возможности расшифровать переданное сообщение — даже полный перебор ключей даст набор всевозможных сообщений заданной длины, отличить искомое среди которых невозможно. Главная слабость таких систем — теоретическая возможность перехвата или дублирования ключа.
Квантовая линия предназначена для того, чтобы сделать безопасной и саму процедуру передачи ключа. Для этого используется квантовое распределение ключа. В этом методе информацию о ключе несут единичные фотоны в виде своих характеристик — например, поляризации, фазы или формы волнового фронта. При попытке злоумышленника измерить эту характеристику, необратимо нарушается квантовое состояние фотона, что фиксируется адресатом сигнала при сверке части ключа.
Физики провели канал квантовой связи между отделениями «Газпромбанка» на Коровьем валу и в Новых Черемушках на базе существующей оптоволоконной линии. Как отмечают авторы технологии, процент ошибок при передаче данных не превышал пяти процентов. Интересно отметить, что именно высокая доля ошибок (свыше 11 процентов) является признаком скомпроментированности ключа.
Ранее мы сообщали о первой реализации абсолютно стойкого квантового алгоритма шифрования и передачи данных. Он позволяет совместить передачу данных и ключа для следующего пакета данных в одном «сообщении». Этот алгоритм обходит требования к классическим абсолютно стойким шифрам, предполагающие, что размер ключа должен быть не меньше размера передаваемого сообщения. Однако, этот алгоритм был продемонстрирован лишь в лабораторных условиях.
Владимир Королёв
nplus1.ru
Квантовые связи
Работа в лаборатории: один из авторов, Кристофер Монро, манипулирует кубитами из атомных ионов с помощью лазеров и удерживает их в ловушке из электромагнитных полей, образованных электродами
В течение двух последних десятилетий ученые предпринимали попытки использовать необычные свойства квантового микромира, чтобы совершить скачок в области обработки информации и коммуникаций. Используя некоторые особенности физики, проявляющиеся в самых малых масштабах природы (то, что электрон одновременно и частица, и волна, что объект может находиться в нескольких местах одновременно и то, что две частицы могут сохранять призрачную мгновенную связь, даже если они удалены друг от друга на значительные расстояния), квантовые машины могли бы сделать немыслимые ранее вычисления, средства коммуникации и методы измерения рутиной. Приведем лишь один пример: квантовый компьютер, вероятно, сможет расколоть не поддающиеся расшифровке коды.
В то же время квантовые машины можно использовать для хранения и передачи информации таким образом, что ее секретность будет гарантирована законами физики. Их можно будет применять также для моделирования процессов в сложных химических и физических системах, которые невозможно отследить никаким другим способом. Квантовые системы, по-видимому, многократно повысят точность самых точных в мире хронометров —атомных часов — и будут служить миниатюрными высокоточными датчиками для измерения свойств химических и биологических систем на атомном или молекулярном уровне с приложениями от биологии и материаловедения до медицины.
Именно из-за огромных потенциальных возможностей такие технологические монстры, как Google и Intel, ряд компаний-стартапов, Министерство обороны и другие правительственные агентства США делают крупную ставку на разработки в этой области. Не менее воодушевлено и американское академическое сообщество: только в 2015 г. три ведущих журнала опубликовали более 3 тыс. научных статей, в которых упоминаются квантовые вычисления или квантовая информация.
Проблема заключается в том, что ученые пока еще не могут построить большую квантовую машину, которая реализовала бы эти надежды. Главная трудность состоит в том, что такой компьютер по определению должен работать в царстве микромира, и в то же время, когда мы пытаемся сделать квантовый компьютер достаточно большим, чтобы с ним можно было работать, проявляется его естественная тенденция — он начинает подчиняться классическим законам макромира.
Квантовый прибор. Электрическая цепь для измерения сверхпроводящих кубитов помещается в покрытую золотом камеру. Эти измерения могут квантово перепутать кубиты в отдельных кластерах, или модулях, позволяя модулям объединяться друг с другом, чтобы образовать единый квантовый компьютер.
Чтобы построить систему, которая подчиняется квантовым законам в большом масштабе и обладает всей мощью квантовой обработки информации, вероятно, потребуется модульный подход, при котором более мелкие заведомо квантовые единицы соединены друг с другом таким образом, чтобы не разрушалась их квантовая природа. В недавней работе не только теоретически, но и на практике был успешно проверен этот так называемый модульный подход в малых масштабах, и это подготавливает почву для реализации уникальных возможностей квантовой механики.
Вероятно, нули и, возможно, единицы
Первое предположение, что квантовый мир можно использовать для создания нового типа мощных компьютеров, в начале 1980-х гг. высказали физик Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института и математик Дэвид Дойч из Оксфордского университета (Первым идею квантовых вычислений в 1980 г. в своей книге «Вычислимое и невычислимое» выдвинул советский математик Юрий Иванович Манин. — Примеч. пер.). Эта гипотеза оставалась спекулятивной на протяжении многих лет, пока в 1994 г. Питер Шор (Peter Shor), в то время работавший в компании AT&T Bell Laboratories, не показал, как квантовый компьютер можно использовать для быстрой факторизации (разложения на простые множители) больших чисел, что разожгло большой интерес к этой области.
Первые примитивные квантовые компьютеры появились в конце 1990-х — начале 2000-х гг., когда ученые построили простые, состоящие из нескольких «битов» системы, построенные на атомах, молекулах или фотонах. Именно особая природа квантовых частиц позволяет квантовым компьютерам добиться огромного превосходства над их классическими собратьями. В отличие от классических вычислений, в которых основная единица информации (бит) принимает определенное значение — «1» или «0», квантовая единица информации (кубит) может существовать одновременно в двух состояниях, то есть может представлять «0» и «1» одновременно.
Кубит, вероятно, может быть «0», но, возможно, и «1», или же с одинаковой вероятностью быть «0» или «1», или любой другой взвешенной комбинацией двух двоичных состояний. Кубит обладает такой властью потому, что квантовая частица может находиться в двух местоположениях или в двух физических состояниях одновременно — явление, получившее название «суперпозиция». Помимо того что кубиты находятся в двух состояниях одновременно, они могут быть связаны друг с другом посредством квантового свойства, называемого «квантовая перепутанность». (У английского термина entanglement нет устоявшегося единого русского эквивалента, и в литературе вы можете встретить самые различные наименования этого явления: «квантовая запутанность», «квантовая нелокальность», «квантовая перепутанность», «квантовая сцепленность», «квантовая зацепленность» и т.д. — Примеч. пер.) Квантовая перепутанность — это способность частиц, удаленных друг от друга в пространстве, сохранять определенную связь друг с другом таким образом, что действие, совершенное над одной из них, мгновенно отражается на другой. Это свойство дает квантовым компьютерам возможность массово-параллельной обработки информации. Когда совокупность кубитов квантово перепутана, простая операция над одним из них может повлиять на состояния всех других кубитов. Даже с помощью всего лишь нескольких кубитов все эти взаимозависимые состояния «0», «1» и их суперпозиции образуют необычайно сложный диапазон возможных исходов. В то время как классический компьютер за один такт может обработать лишь одну возможность, квантовый может проверить все возможные решения задачи одновременно. Всего лишь несколько сотен кубитов могут рассчитать таблицу исходов, количество элементов которой превосходит число всех частиц во Вселенной.
До сих пор ученым в ряде лабораторий удалось создать лишь небольшие квантовые вычислительные системы с числом кубитов, не превышающим 10. Но по мере того как мы добавляем кубиты, становится все труднее оградить систему от внешнего мира — а любые такие воздействия губительны для тех самых свойств, которые делают квантовые компьютеры столь необычными. Квантовая суперпозиция множества состояний может существовать только в изолированной системе. Любая попытка ее преждевременного наблюдения или измерения приведет к их коллапсу в одно из возможных состояний — к выбору одной из возможностей. В этой ситуации квантовая механика перестает работать и кубиты снова превращаются в обычные биты классического компьютера. Другими словами, особые возможности квантовых объектов, как правило, можно наблюдать только в микроскопических системах, и они разрушаются, когда эти объекты становятся полностью связанными большим целым — аналогично тому, как музыкальная группа, играющая в стиле «инди», возможно, больше всего нравится своим фанатам, если о ней слышали лишь немногие. Большие системы обычно слишком сложны и недостаточно изолированы, чтобы вести себя по квантово-механическим законам, — в конце концов, мы ведь не ожидаем, что найдем бейсбольный мяч или даже биологическую клетку в двух местах одновременно. Три способа построить квантовый компьютер
Компьютеры, которые строятся на базе странных законов квантовой механики, теоретически смогут выполнять вычисления, недоступные для классических компьютеров. Однако чем больше становится квантовый компьютер, тем труднее сохранить его квантовые свойства. Ученые полагают, что решение проблемы — построить множество небольших квантовых компьютеров и соединить их вместе в одно большее целое: стратегия, получившая название «модульные квантовые вычисления». В боксах справа показаны три потенциальные модульные схемы, использующие три различных типа квантовых битов или кубитов.
Квантовое свойство 1: суперпозиция
Атомы и субатомные частицы могут существовать во множестве состояний одновременно — состояние, называемое суперпозицией. Если классический объект, такой как бильярдный шар, может вращаться одновременно лишь в одном направлении, квантовые частицы могут находиться в двух «спиновых состояниях» — как со спином, направленным вверх, так и со спином, направленным вниз, — одновременно. Используя это свойство, квантовые компьютеры, вероятно, смогут анализировать множество возможных решений задачи в одно и то же время.
Квантовое свойство 2: квантовое перепутывание 
Альберт Эйнштейн назвал его призрачным дальнодействием: квантовое перепутывание позволяет двум частицам выстроить такую связь, что действие, совершенное над одной из них, мгновенно влияет на другую, даже если они удалены друг от друга в пространстве. На рисунке внизу квантово перепутанные частицы сначала находятся в суперпозиции состояний со спином вверх и вниз. Когда внешнее измерение заставляет частицы «выбрать» единственное состояние, обе частицы всегда придут в скоординированные друг с другом состояния. В зависимости от типа квантового перепутывания если первая частица находится в состоянии со спином вверх, то вторая всегда будет находиться в состоянии со спином вниз. Когда квантово перепутываются множество кубитов, операция, проводимая над одним, мгновенно скажется на других, открывая возможность беспрецедентно масштабной параллельной обработки информации.
Способ №1: Атомные ионные кубиты
Самый простой способ построить модульный квантовый компьютер — использовать в качестве кубитов отдельные атомы. Каждый атом может представлять значение «0» или «1» двоичного кода (или их суперпозицию) посредством различных электронных орбит (вверху). Внизу схематическое изображение трех модулей — квантовых миникомпьютеров, состоящих из пяти атомных ионов каждый, — соединенных таким образом, чтобы сохранить квантовые свойства каждого из модулей. Внутри каждого модуля все пять ионов квантово перепутаны друг с другом. Два иона на концах (белого цвета) — особого рода и могут испускать фотоны для связи с другими модулями.
Способ №2: Сверхпроводящие кубиты
В другой стратегии построения квантового компьютера в качестве кубитов используются «искусственные атомы», представляющие собой сверхпроводящие цепи. Эти кубиты — электрические цепи, которые могут принимать значение «0» или «1» в зависимости от наличия или отсутствия СВЧ-фотона или переменного электрического тока, текущего по цепи. (Когда кубит находится в состоянии суперпозиции, фотон может быть там и одновременно может не быть.) Внутри каждого модуля кубиты могут быть квантово перепутаны непосредственно друг с другом посредством захваченных фотонов. Эти фотоны могут также быть посланы по оптическим волокнам, чтобы связать каждый модуль с другими.
Способ №3: Твердотельные квантовые кубиты
Третий вариант — сделать кубиты из дефектов в твердом теле, таком как алмазная кристаллическая решетка, состоящая из атомов углерода. Если один из атомов углерода в решетке заменить на атом азота, а место по соседству оставить пустым, получится дефект, называемый центром «азот — вакансия» (или NV-центром). NV-центр и окружающие его атомы углерода все становятся кубитами, и их спиновые состояния представляют собой «0» или «1». Каждый кластер дефектов в кристаллической решетке — это отдельный модуль, а сами модули можно соединить друг с другом посредством оптических фотонов.
Модульные квантовые системы
Перед учеными стоит трудная задача — масштабировать систему, не утратив при этом ее квантовой природы. Использование «грубой силы» для построения больших квантовых систем путем простого добавления новых кубитов и объединения их в единую сеть скорее всего потерпит неудачу. Это предсказание подкреплено судьбой машин, разработанных канадской фирмой D-Wave Systems, которая соединила вместе несколько сотен или даже тысяч отдельных кубитов. Хотя представители компании утверждают, что их устройства бьют рекорды скорости выполнения классических алгоритмов, мы не обнаружили ни одной публикации с данными, которые свидетельствовали бы о квантовом перепутывании в большом масштабе или о преимуществах в скорости обработки информации такими системами.
Однако модульная методика подсказывает нам другой путь к цели. Это техническое решение сродни стратегии, которую коммерческие авиакомпании используют для того, чтобы справиться с проблемами обслуживания клиентов. В следующий раз, когда вы полетите на самолете, рассмотрите внимательнее заднюю обложку рекламного журнала авиакомпании, предлагаемого пассажирам на борту самолета. Карта маршрутов компании дает грубое представление о том, как мог бы выглядеть полномасштабный квантовый компьютер. Авиакомпании не в состоянии соединить каждый город непосредственно с каждым другим отдельной авиалинией, поскольку логистика и накладные расходы в этом случае были бы непомерно большими. Вместо этого они используют центральные пересадочные узлы для организации сети непрямых сообщений. Жертвуя достоинствами непосредственной связи, взамен они получают возможность расти и обслуживать большую сеть аэропортов.
Аналогично в модульном квантовом компьютере не предусмотрено соединение каждого кубита с каждым. Вместо этого несколько кубитов в нем будут использованы как ядра сети, через которые будут подсоединяться отдельные модули, сродни тому как Атланта служит пересадочным пунктом, соединяющим юго-восток США с остальными регионами. Модульные сети помогут сохранить число взаимодействий между кубитами в количестве, позволяющем успешно ими управлять, и в то же время такая архитектура позволит каждому модулю оставаться защищенным от внешних влияний. Они компенсируют необходимость пожертвовать преимуществом непосредственных связей между кубитами, давая взамен возможность взаимодействовать через посредника тысячам или даже миллионам кубитов. Но в отличие от традиционных модульных систем, таких как многоядерные процессоры компьютеров, в которых для связи как внутри процессоров, так и процессоров между собой используется одинаковый тип проводников, чтобы получить необходимое квантовое перепутывание и в то же время сохранить изоляцию между модулями, модульная квантовая система, возможно, потребует два или даже более различных типов связи. В минувшем десятилетии возникли три основные модульные квантовые стратегии, использующие различные типы кубитов.
Трое из нас независимо друг от друга разрабатывают эти платформы, и мы верим, что они приживутся в более крупных квантовых компьютерах, которые откроют возможность применить новые виды обработки информации.
Атомные кубиты
Наиболее естественный тип кубита — одиночный атом, чьи электронные или ядерные энергетические уровни (иногда называемые спиновыми состояниями) хранят квантовую информацию. Атомные кубиты по самой своей природе поддаются масштабированию, поскольку многочисленные атомы одного и того же вида фактически идентичны и не требуют никаких дополнительных настроек, чтобы походить друг на друга. Лазерные пучки могут охладить атомы до почти неподвижного состояния, замораживая их путем передачи импульса от атома рассеянному лазерному излучению. Мы научились все это проделывать, подвешивая атомы внутри пустого пространства вакуумной камеры, чтобы защитить их от любого внешнего воздействия.
Нейтральный или заряженный атом (ион) может служить кубитом. Чтобы удержать нейтральные атомные кубиты, мы используем сфокусированные лазерные пучки, вернее несколько взаимопересекающихся лазерных пучков, образующих так называемую оптическую решетку. Десятки научных групп во всем мире применяют этот метод. Хотя управлять нейтральными атомами и связывать их на уровне одного кубита — задача не из легких, существует несколько многообещающих путей, позволяющих это сделать. В качестве альтернативы многие группы используют положительно заряженные ионы — атомы с одним недостающим электроном.
Ионы отталкиваются друг от друга в результате действия электростатических сил, и их невозможно удержать в электростатическом поле, образованном электродами. Мы можем охладить с помощью лазерного излучения сотни удерживаемых ионов в форме стационарной кристаллоподобной структуры из отдельных атомов, которые ведут себя как идентичные друг другу маятники, соединенные пружинками. Дополнительные управляющие лазеры могут раскачивать ионы таким образом, что их спиновые состояния окажутся квантово перепутанными в результате колебаний ионов, — схема, впервые предложенная в 1995 г. физиками из австрийского Инсбрукского университета им. Леопольда и Франца Игнасио Сираком (Ignacio Cirac) и Петером Цоллером (Peter Zoller). За минувшую два десятилетия ученые совершили поразительный прорыв в управлении отдельными кубитами из удерживаемых ионов и их квантовом перепутывании таким методом. Недавно группы под руководством одного из нас (Кристофера Монро), Дэвида Уайнленда (David J. Wineland) из Национального института стандартов и техники и Райнера Блатта (Rainer Blatt) из Инсбрукского университета продемонстрировали успешные эксперименты по квантовому перепутыванию 20 кубитов на захваченных ионах.
Ученые исследовали два способа соединить модули, полученные на таких квантово перепутанных ионных кристаллах. Первый — физически переместить несколько ионных кубитов в пространстве от одного модуля к другому, заставив их пройти через сложный лабиринт электродов (метод, предложенный в 2000 г. Монро совместно с Дэвидом Кильпинским (David Kielpinski), в то время работавшим в Национальном институте стандартов и техники). Ионы можно заставить скользить через пространство вместе с волной электрического поля так, чтобы не нарушать состояния их кубитов. Когда ионы коснутся второго модуля, с помощью импульса лазера можно индуцировать формирование новых квантовых перепутываний. Два модуля, скажем, по 50 кубитов каждый становятся частью одного вычислительного регистра, а это означает, что теперь совместно работают 100 кубитов, хотя и слабо связанные. Теоретически предела количеству модулей, которые можно соединить таким способом, получившим название «метод ионного челнока», не существует.
Трудность такого метода заключается в сложности управления хитроумными ионными ловушками, которые состоят из сотен тысяч точно расположенных электродов, с помощью которых ионы перемещаются туда и обратно. Мы должны уметь манипулировать всеми необходимыми напряжениями на электродах, чтобы заставить ионы скользить по лабиринту из этих электродов. Значительные усилия по изготовлению электродов ионной ловушки из кремния или других полупроводниковых материалов способом, позволяющим масштабирование, прилагаются сегодня в Сандийских национальных лабораториях и в компании Honeywell.
Второй метод, обеспечивающий связь ионных кубитных модулей, позволяет оставить атомы на месте. В нем для того, чтобы заставить ионы испустить фотоны, которые квантово перепутаны с ионами, используются лазеры. Эти фотоны могут затем перенести квантовое перепутывание между модулями. Такой тип фотонного квантового интерфейса произрастает из идеи, впервые высказанной почти 20 лет назад учеными Инсбрукского университета, Калтеха и Гарвардского университета и продемонстрированной десять лет назад Монро. Техника фотонной связи имеет громадное преимущество, позволяя нам связать воедино кубитную память, элементы которой могут быть удалены на значительное расстояние, к тому же она может быть применена и к другому типу кубитов, такому как нейтральные атомы, а также сверхпроводящим и полупроводниковым кубитам, речь о которых пойдет ниже. Более того, мы можем масштабировать фотонные связи между модулями посредством волоконно-оптических сетей и коммутаторов, которые помогут нам управлять тем, какие из кубитов следует квантово перепутать. Основное препятствие на этом пути состоит в том, что фотонная связь кубитов, как правило, недостаточно эффективна, поскольку требует захвата и точного направления этих фотонов. Чтобы установить успешную связь, может потребоваться много попыток. Наилучшая скорость, достигнутая на сегодня, — десять связей квантового перепутывания в секунду. Однако развитие существующей технологии сулит увеличение этой скорости на несколько порядков величины.
Сверхпроводящие кубиты
Хотя атомы и могут быть использованы в качестве естественных кубитов, задача управления и масштабирования их в более крупные системы таит в себе ряд инженерных проблем. Альтернативная стратегия — создать «искусственный атом», используя электрические цепи из сверхпроводящих материалов. Эти устройства состоят из многих атомов, но могут вести себя как простые управляемые кубиты, в которых присутствие или отсутствие одного СВЧ-фотона или направление тока в цепи по часовой стрелке или против нее соответствует состояниям «0» или «1». Такие квантовые цепи обладают определенным преимуществом. Мы можем задавать их свойства на этапе конструирования и серийно изготавливать их с помощью технологических процессов, используемых в современной микроэлектронике для производства обычных интегральных схем. Но, что замечательно, когда они работают при температуре, близкой к абсолютному нулю, они могут находиться в состоянии суперпозиции достаточно долго, чтобы служить полноценным кубитом. За последние 15 лет время жизни таких систем удалось увеличить более чем в миллион раз.
В прошлом десятилетии в ходе работы над сверхпроводящими квантовыми цепями удалось добиться быстрого прогресса, продемонстрировав различные необходимые для квантового компьютера характеристики. Ученые во многих университетских лабораториях, а также такие участники высокотехнологического рынка, как Google и IBM, сегодня научились манипулировать несколькими сверхпроводящими кубитами и квантово перепутывать их. С помощью метода, получившего название «квантовая электродинамика электрических цепей», основоположником которого стал один из нас (Роберт Шелькопф) совместно со своими коллегами из Йельского университета Мишелем Деворе (Michel H. Devoret) и Стивом Гирвином (Steve Girvin), мы даже можем квантово перепутать кубиты на больших расстояниях, используя сверхпроводящие передающие линии.
Сверхпроводящие приборы естественным образом допускают модульную архитектуру. Мы можем соединить модули и измерительные устройства внутри большого криогенного прибора с помощью сверхпроводящих проводников и в то же время уменьшить перекрестное влияние и помехи между отдельными модулями, экранировав их друг от друга. Чтобы вызвать квантовое перепутывание между модулями, ученые в Йеле, в ОИЛА Университета Колорадо в Боулдере (Объединенный институт лабораторной астрофизики (ОИЛА) был основан в 1952 г. С тех пор область исследований, проводимых там, значительно расширилась и сегодня помимо астрофизики включает атомную и молекулярную физику, оптику, биофизику, квантовую информацию, точные измерения и многое другое, но акроним остался прежним. — Примеч. пер.), в Калифорнийском университете в Беркли и в других лабораториях разработали специальные сверхпроводящие приборы для квантовых измерений. Модульный подход в приложении к сверхпроводящим кубитам имеет несколько привлекательных особенностей. Вместо того чтобы строить и тестировать гигантскую электрическую цепь, нам требуется лишь в массовых количествах производить и калибровать более простые модули, а затем усложнять машину, добавляя модуль за модулем.
Мы можем заменить или обойти дефектные модули и перекоммутировать электрические цепи, соединяющие модули, чтобы выстроить другую архитектуру. В настоящее время ведется также работа по разработке квантовых преобразователей, трансформирующих СВЧ-сигнал в оптический, чтобы затем соединить удаленные модули с помощью оптического волокна и создать таким образом квантовые сети большой дальности или распределенный квантовый компьютер.
Твердотельные спиновые кубиты
Наконец, третий тип кубитов, в которых информация кодируется в виде спиновых состояний твердых тел. Существуют различные модели этого типа кубитов, но многообещающий метод, разрабатываемый одним из нас (Михаилом Лукиным), а также большим числом других групп, для получения кубитов использует дефекты в кристаллах. Одна из таких систем — состоящая из атомов углерода кристаллическая решетка алмаза, в которой один из атомов углерода замещен на атом азота, а расположенный рядом узел пуст, — дефект, называемый центром «азот — вакансия» (NV-центр). Электромагнитные импульсы могут управлять спином электронов этой атомоподобной примеси. В методе, впервые предложенном Лукиным с коллегами, NV-центр воздействует на ядерные спины своих ближайших соседей — атомов углерода, формируя группу соседних кубитов, образованных в результате магнитного взаимодействия между частицами. Однако число атомов углерода — ближайших соседей дефекта «азот — вакансия» можно сосчитать по пальцам, что ограничивает суммарное число кубитов на один модуль менее чем дюжиной.
Задача масштабирования требует соединения вместе множества модулей. Если кубиты расположены в различных кристаллических решетках, мы можем связать их, заставив каждый кубит испустить фотон, а затем измерить фотоны. В случае если несколько NV-центров расположены внутри одной алмазной решетки, мы также можем по пытаться установить между ними связь, воспользовавшись квантовыми колебаниями, называемыми фононами, которые могут переносить квантовую информация между примесями.
Примечательно, что, хотя манипулирование информацией, закодированной в кубитах этих NV-центров, необычайно сложно, часто мы можем проделывать все это в обычных условиях при комнатной температуре. Методы наблюдения одиночного NV-центра, предложенные в минувшем десятилетии Йоргом Врахтрупом (J rg Wrachtrup) из Штутгартского университета и Федором Железко, в настоящее время работающим в Университе-те Ульма (Федор Борисович Железко — выпускник Белорусского государственного университета, после защиты в 1998 г. кандидатской диссертации эмигрировал в Германию, в настоящее время — директор Института квантовой оптики Университета Ульма. — Примеч. пер.), позволили ученым работать с отдельными кубитами электронных спинов. Группа под руководством Давида Авшалома (David Awschalom) из Чикагского университета смогла манипулировать этими кубитами на наносекундной шкале, что сравнимо со скоростью современных классических процессоров.
Недавно в голландском Дельфтском техническом университете Рональд Хансон (Ronald Hanson) с коллегами квантово перепутали кубиты одиночных NV-примесей, удаленных друг от друга на расстояние более одного километра, воспользовавшись квантово перепутанными фотонами, аналогично фотонному методу, позволяющему связать ионы, о котором было рассказано ранее. Пока этот процесс не очень эффективен (в эксперименте в Дельфте связи квантовой перепутанности устанавливаются со скоростью всего лишь несколько раз в час), но недавно в Гарвардском университете и в Массачусетском технологическом институте придумали новые методы с использованием нанооптических устройств, позволяющие в значительной степени его ускорить. А поскольку мы уже имеем инструменты, позволяющие сформировать несколько кубитов вокруг одиночного дефекта алмазной решетки и сохранять их в течение более чем секунды в сверхчистых кристаллах, таких, какие выращивает компания Element Six, NV-центры демонстрируют огромный потенциал для масштабируемой модульной архитектуры квантового компьютера.
Квантовое будущее
В результате более чем 20 лет исследований и разработок в этой области ученые экспериментально проверили все описанные выше подходы к модульному квантовому компьютеру в небольших масштабах. Ожидающая нас задача — распространить эти методы на более крупные конгломерации кубитов и модулей и начать использовать их для интересных приложений. Мы полагаем, что сегодня эта цель уже не за горами.
Квантовое будущее одновременно и заманчиво, и таит множество проблем. По мере того как квантовые машины будут становиться все больше, управлять ими и контролировать то, что в целом система действительно ведет себя квантово-механически, станет все труднее. К счастью, модульная архитектура позволяет нам проверить и оценить работу отдельных модулей и различных связей между ними независимо друг от друга, не нарушая работы всей системы в целом. Ученые недавно проделали важные шаги в направлении к этой цели.
Но модульные квантовые компьютеры даже относительно скромного масштаба, по всей видимости, дадут нам возможность решать уникальные задачи. Они естественным образом станут хребтом «квантового Интернета», состоящего из небольших квантовых процессоров, объединенных с помощью квантово перепутанных оптических фотонов. Они смогут служить ретрансляторами, которые раздвинут географические рамки безопасных квантовых систем связи (в настоящее время ограниченные примерно 100 км, поскольку фотоны затухают в стандартных волоконно-оптических линиях) до континентальных расстояний.
Элементы модульных квантовых машин уже начинают включать в некоторые самые точные в мире хронометры, и, как ожидается, их роль будет расти в новом поколении оптических атомных часов, основанных на нейтральных атомах и ионах. Ученые предложили построить глобальную квантовую сеть таких часов, чтобы создать единую международную шкалу времени, или, грубо говоря, «всемирные часы», которые будут работать с беспрецедентными стабильностью и точностью.
Миниатюрная квантовая сеть могла бы служить также высокоточным датчиком электромагнитных полей и температуры в сложных химических и биологических системах на нанометровой шкале. Например, ученые воспользовались электронным и ядерным спинами, связанными с примесями в твердых телах, чтобы добиться магнитно-резонансной визуализации с разрешением в одиночный атом. Этот метод, вероятно, можно будет использовать для непосредственного наблюдения отдельных молекул, что даст необычайно мощный инструмент фундаментальной биологии и материаловедению, а также новые средства медицинской диагностики и поиска новых лекарств.
Пришло время перестать задавать вопрос, возможен ли квантовый компьютер, и начать фокусировать деятельность на разработке его крупномасштабной архитектуры и на том, что он способен делать. Истина заключается в том, что никто не знает, как квантовые компьютеры изменят наш мир. Но с наступлением эпохи сетей модульных квантовых компьютеров мы оказались на пороге перемен.
Авторы статьи:
Михаил Лукин — выпускник факультета физической и квантовой электроники Московского физико-технического института (1993), профессор физики Гарвардского университета и содиректор Объединенного центра по изучению ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарвардского университета. Он внес пионерский вклад в несколько областей квантовых вычислений, коммуникаций и метрологии.
Кристофер Монро — профессор физики Мэрилендского университета и научный сотрудник Объединенного института квантовой физики. Вот уже более 20 лет он работает на переднем фронте техники квантовой информации.
Роберт Шелькопф — профессор физики Йельского университета и директор Йельского института квантовой физики. Он и его сотрудники в Йеле занимают лидирующие позиции в разработке твердотельных квантовых битов (кубитов) для квантовых вычислений.
Источник: Журнал "В мире науки", за [07] июль 2016 года
scientifically.info
Квантовую память впервые использовали для защищенной квантовой связи
Схема установки. Модули квантовой памяти обозначены группами красных шариков (атомов рубидия).
Wei Zhang et al. / arXiv.org, 2017
Китайские физики впервые реализовали протокол прямой секретной квантовой связи с использованием элементов квантовой памяти. В отличие от классических протоколов квантовой криптографии такая связь не требует предварительного создания ключа и позволяет передавать сообщения напрямую без риска перехвата. Роль носителей информации в ней играют запутанные фотоны. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Phys.org.
Одна из главных проблем безопасной передачи данных — защита шифрования и каналов связи от взлома. В ряде случаев такую защиту можно сделать абсолютной, не взламываемой даже с неограниченными вычислительными ресурсами. К примеру, для классических алгоритмов абсолютно невзламываемым является блокнотное шифрование. Если и у отправителя и у получателя есть два идентичных блокнота, заполненных случайным набором единиц и нулей, то эти единицы и нули можно просто добавлять к каждому биту сообщения, отправлять в таком виде записку, а затем вычитать их же с помощью второго блокнота. При условии однократного использования каждого бита из блокнота расшифровать такое сообщение невозможно: все возможные ключи дадут все возможные сообщения с длиной, равной закодированному сообщению.
Блокноты необходимо передать от отправителя к получателю, прежде чем создавать канал связи. Сделать эту передачу абсолютно безопасной позволяют квантовые алгоритмы, протокол квантового распределения ключа. Он основан на передаче информации в одиночных фотонах с случайным состоянием («0» или «1») и случайным методом записи информации в него (условно диагональных или вертикально/горизонтальных поляризациях). Попытка перехватить и измерить такой фотон, согласно законам квантовой механики, необратимо изменит его состояние и это заметит получатель. Подробнее об этом протоколе можно прочесть в нашем материале «Выдергиваете и сжигаете».
Но можно организовать защищенный канал связи и без предварительного распределения ключа — для этого был создан протокол прямой защищенной квантовой связи (DQSC). Он основан на том, что с помощью запутанных частиц и небольшого количества классических данных также можно передавать информацию. Запутанными называют такие квантовые состояния двух или большего числа частиц, когда насколько сильно бы не были отдалены две запутанные частицы, они ведут себя как единое целое. К примеру, два запутанных фотона, могут нести взаимно перпендикулярную поляризацию, при этом их поляризация случайна. Если при измерении поляризации первого окажется, что она горизонтальна, то второй фотон моментально — даже находясь на огромном расстоянии — примет вертикальную поляризацию. Важно отметить, что без данных, передаваемых по классическому каналу и движущейся со скоростью, не превышающей световую, с помощью запутанных частиц передавать полезную информацию невозможно.
Авторы новой работы впервые экспериментально реализовали протокол DQSC с квантовой памятью. Алгоритм устроен следующим образом. На первом этапе отправитель (Алиса) создает несколько пар запутанных частиц. Затем одну частицу из каждой пары Алиса отправляет получателю — Бобу. Часть частиц используют для проверки — не прослушивается линия. Если связь безопасна, то Алиса проводит над своими оставшимися частицами измерения и эти данные используются для защищенной передачи данных. Квантовая память необходима для хранения запутанных состояний между проверкой и непосредственно передачей данных — она должна обеспечить хранение информации в течение сотен наносекунд.
В роли модуля памяти физики использовали холодные атомы рубидия, захваченные в магнито-оптическую ловушку — такие ловушки были как у отправителя, так и получателя сигнала. Запутанность между ловушками создавалась в два этапа. Сначала запутывался фотон и атомы одной ловушки, затем фотон передавался к другой ловушке и запутанность возникала уже между двумя ловушками-модулями памяти. Авторы отмечают, что это не вполне соответствует оригинальному описанию протокола, однако реализовать дешифровку для запутанных пар фотонов в эксперименте оказалось слишком сложно.
Тем не менее ученым удалось продемонстрировать почти все основные стадии протокола: создание запутанных пар, проверка секретности канала связи, распределение запутанных фотонов, их хранение и шифрование информации (это достигается подготовкой фотона перед отправкой ко второй ловушке). Дешифровка информации была заменена анализом матриц плотности состояний ловушек. Точность работы установки достигала 90 процентов, а скорость передачи информации, по оценкам авторов, составляла 2,5 бита в секунду.
Системы связи на основе квантового распределения ключа существуют уже в нескольких странах: Японии, Китае, Швейцарии, США и России. Недавно мы сообщали о создании квантовых каналов связи между наземной станцией и самолетом, а прошлым летом Китай запустил первый спутник для квантового распределения ключа.
Владимир Королёв
nplus1.ru
Как работает Любовь? Квантовая связь нейронной активности Людей.
Аннотация
В мире отсутствует научное понимание состояния, которое люди привыкли называть «Любовь». Мы не знаем природу любви, причины ее возникновения и принципов работы, вместе с тем количество упоминаний о данном состоянии и повсеместное его присутствие в культуре и жизни человечества не оставляет сомнения в его реалистичности. В статье изложены принципы и причины формирования состояния любви, дано его научное обоснование с точки зрения квантового взаимодействия элементарных частиц, высказано предположение, как оно возникает, какое влияние и положительные эффекты оказывает на человека, рассмотрены существующие примеры подсознательных коммуникаций, научные эксперименты, а так же перспективы исследования данной тематики.
Предисловие
Любовь — одно из самых прекрасных, самых ярких, самых нужных человеку чувств. Каждый из нас испытывал это состояние хотя бы раз в жизни. Его трудно описать словами, это необыкновенно приятные ощущения, море эмоций, огромная энергетика, людям кажется, что они могут свернуть горы, им под силу любые задачи, они испытывают связь с человеком, которую трудно описать словами. Но что такое любовь? Реально существующее состояние, объединяющее людей, локализованный в человеке химический процесс или массовое заблуждение?
Общее описание
Наблюдая за поведением влюбленных и анализируя существующие научные эксперименты по взаимодействию людей на расстоянии, можно предположить, что в основе состояния, которое люди привыкли называть любовью, лежит явление квантовой природы. Все наши ощущения, мысли, чувства кодируются активностью нейронов — клеток головного мозга. Вследствие взаимодействия людей между собой элементарные частицы в нейронах их головного мозга входят в так называемое спутанное состояние, между ними формируется и поддерживается естественная квантовая связь, которая оказывает влияние на работу клеток мозга. За счет своей массовости и сложности внутриклеточных и нейронных процессов в частности, данное влияние в конечном счете выходит на макроуровень, отражаясь на мыслях и поведении, приводя к спонтанным эффектам передачи информации и ощущений между людьми, находящимися на физическом расстоянии друг от друга. Квантовые эффекты элементарных частиц активно изучаются учеными по всему миру. Частицы проявляют волновой дуализм, подвержены туннельному эффекту, состоянию спутанности, влияя друг на друга, невзирая на физические расстояния.
Как формируется связь?
Люди любят друзей, родственников, коллег по работе, однако самые сильные ощущения мы испытываем по отношению к тем, с кем планируем выполнить главную биологическую программу — продолжение рода, и это неслучайно. Подсознание людей постоянно находится в поиске пары, для этого у него есть множество механизмов, к примеру, для определения идентичности генов подсознание может анализировать симметрию лица людей противоположного пола. Если подсознание обнаруживает нужного нам человека, оно концентрирует на данном человеке наше внимание, используя гормональные механизмы, что вызывает ощущение счастья и эйфории. Если симпатии двух людей взаимны, они начинают активно взаимодействовать друг с другом, что вызывает сильную нейронную активность: взгляды, разговоры, прикосновения; порождают зеркальные паттерны нейронных всплесков у обоих людей, что приводит к «запутыванию» элементарных частиц в клетках их мозга на квантовом уровне. Наше внимание, подобно направленной антенне, концентрирует активность нейронов разных областей мозга на определенном человеке, усиливая количество спонтанных квантово-спутанных частиц и, как следствие, уровень связи, что в конечном счете приводит к состоянию, которое мы привыкли называть любовью. Состояние спутанности для пары становится нормой, оно поддерживается и усиливается постоянными мыслями друг о друге, влюбленные люди переписываются, созваниваются, встречаются, совершают большое количество различного рода контактов, истинной целью которых является именно коммуникация с целью поддержания и усиления уровня связи, при этом сама обсуждаемая информация в процессе коммуникаций не имеет особой важности и зачастую является всего лишь поводом.
Примеры подсознательных коммуникаций в жизни
Вспомнил человека, и он тут же позвонил. Мы не раз наблюдали ситуацию, когда случайно вспоминали знакомого человека и тут же поступал звонок от него. Как это работает? Боб берет в руки телефон и собирается позвонить Элис. В момент поиска ее в записной книжке мобильного он невольно концентрирует свое внимание на Элис, думает о ней, мысленно произносит ее имя. В голове Боба вспыхивает паттерн нейронной активности, описывающий Элис, спутанные с Элис элементарные частицы в нейронах Боба активизируются и начинают менять свои состояния, что тут же приводит к изменению состояний элементарных частиц, связанных на квантовом уровне с частицами в голове Элис, порождая всплеск нейронной активности в ее голове, вызывая спонтанную мысль о Бобе. Пока Боб искал Элис в записной книжке своего мобильного, он активно думал о ней, и Элис это ощутила, после чего Боб нажал клавишу вызова и Элис поступил звонок от него.
Ребенок попал в беду. Для родителей ребенок — часть их жизни и огромное количество приложенных усилий, обычно в большей степени для матери. Мать часто взаимодействует со своим ребенком, поэтому она сильно связана с ним на квантовом уровне. Если ребенок попал в беду либо волнуется за что-либо, мать подсознательно ощущает это. Стресс, переживания, сильные эмоции — это чрезмерная активность самых разных областей мозга. Яркая нейронная активность ребенка порождает зеркальную нейронную активность в голове матери, вызывая чувство тревоги, и она начинает узнавать, что случилось.
Любимая позвонила не вовремя. Влюбленные люди находятся в постоянном режиме поддержания подсознательной связи друг с другом, думая друг о друге они как радиомаяки посылают сигналы нейронной активности своей паре, и это становятся для них нормой, дарит им ощущение спокойствия и комфорта. Если Боб и Элис – влюбленная пара, и Боб начинает интересоваться другой женщиной, он начинает меньше думать об Элис, особенно, если он в данный момент рядом с другой. Подсознание Элис обнаруживает «дефицит» нейронной активности, поступающей от Боба, у Элис срабатывает сигнал «тревоги». Посредством гормональных механизмов подсознание Элис вызывает у нее переживание, волнение. Элис берет трубку и звонит Бобу в самый не подходящий момент.
Ребенок требует внимания родителей. Если рассмотреть поведение ребенка, особенно в раннем возрасте, когда собственные органы чувств не дают большой информативности поступающей информации, то мы увидим, что он необыкновенно требователен к вниманию, особенно родителей, и всеми возможными способами пытается его получить: кричит, плачет, хватает и теребит родителей, ему важно, чтобы их внимание было постоянно на нем, так как это важный канал коммуникации для ребенка, посредством которого он получает информацию о мире наряду с традиционными органами чувств.
Влияние на здоровье. Когда за тяжело больного человека молятся люди, думая о человеке и испытывая позитивные эмоции, это имеет вполне реальный положительный эффект. Собственный мозг больного, работая не эффективно в следствии интоксикации и плохого снабжения питательными веществами и кислородом, не способен эффективно работать и справиться с заболеванием, либо справляется с ним крайне медленно. За счет формирования квантовых связей между частицами в нейронах мозга молящегося и больного, молящийся передает дополнительный вычислительный ресурс больному, помогает его организму справиться с болезнью посредством стабилизации и ускорения работы нейрохимических процессов в организме, оказывая восстановительный и иммуномодулирующий эффект.
Случаи и эксперименты в истории
Племя бушменов. В наши дни явные способности к телепатии демонстрируют представители племени бушменов, живущие в Калахари у границы Бечуаналенда. Лоуренс Грин (южноафриканский писатель) много лет изучал жизнь этого племени. Наибольшее впечатление на исследователя произвела работа «радио Калахари» — так называют столбы дыма, которыми бушмены передают сообщения на расстоянии. Парадокс заключается в том, что такие сигналы не имеют никакой кодовой системы. Просто при взгляде на дым некоторые представители племени понимают, о чем идет речь… «Завидев дым, бушмены сосредоточивают на нем свое внимание. Вскоре некоторые из них уже знают, что произошло у охотников, и рассказывают об этом остальным. Одни умеют «читать дым», другие не умеют».
Один из австралийских аборигенов объяснил необычную информативность дымов таким образом: «Я делаю дым для того, чтобы другой человек знал, что я думаю. И он тоже думает, и таким образом он думает мои мысли». Скорее всего, дым играет роль сигнала «выход на связь» и сам по себе информации не несет. «Радио Калахари» иногда транслирует очень сложные и развернутые сообщения, которые доходят намного быстрее, чем если бы они передавались при помощи условных сигналов.
Пожар в Стокгольме. Один из самых ранних случаев подсознательной связи между людьми был зафиксирован 19 июля 1759 года. В то время еще не было телефонов, радио и иных средств оперативной коммуникации. Во время пожара в Стокгольме знаменитый ученый и изобретатель Эмануэль фон Сведенборг находился в компании друзей в городе Гетеборге, который располагается на расстоянии около 250 миль от Стокгольма, куда его пригласил его друг Уильям Кастел. Около 6 часов вечера Сведенборг внезапно побледнел и объявил окружающим о бушующем пожаре в Стокгольме. Он также сказал, что пожар распространяется очень быстро и что дом его друга уже сгорел, и теперь его дом в опасности. Через два дня в Гетеборг приехал королевский курьер и сообщил об ужасном пожаре в Стокгольме. Многие предполагают, что информацию о пожаре он получил, услышав от своего друга, дом которого сгорел.
Эксперимент с литием. В 1986 году ученые из Корнелльского университета изучали, какой эффект два изотопа лития оказывают на поведение крыс. Беременных крыс разделили на три группы: одной давали литий-7, другой — литий-6, а третья служила контрольной группой. После рождения потомства у крыс, получавших литий-6, материнский инстинкт, выражавшийся в уходе, заботе и строительстве гнезд, был развит гораздо сильнее, чем у двух остальных групп. Химически два изотопа должны быть идентичными, и тем более в заполненной влагой среде человеческого тела у них не должны проявляться какие-то различия. Так что же могло послужить причиной появления различий в поведении наблюдаемых исследователями? Поскольку у лития-7 и у лития-6 различное количество нейтронов, у них отличаются и спины. В результате литий-7 теряет когерентность слишком быстро, а литий-6 может дольше оставаться запутанным, что увеличивает способность к подсознательным коммуникациям матери и ребенка.
Квантовые эффекты в природе
За последнее десятилетие появляется все больше доказательств того, что некоторые биологические системы могут работать с квантовой механикой. Например, в процессе фотосинтеза квантовые эффекты помогают растениям превращать солнечный свет в топливо. Ученые также предполагают, что у перелетных птиц есть «квантовый компас», позволяющий им использовать для навигации магнитное поле Земли, и что чувство запаха также корнями уходит в квантовую механику.
Как появилась любовь?
Множество, если не все биологические формы жизни, вероятно, имеют предрасположенность к квантовым связям на уровне элементарных частиц, составляющих их мозг. Любовь позволяет быть более устойчивым к внешним угрозам, создает более стабильные союзы, влюбленные пары дают более здоровое потомство, заботятся и поддерживают друг друга, в случае с людьми любовь оказывает благоприятное влияние на множество систем человека, в том числе иммунную систему и здоровье в целом, позволяет легче справляться со стрессами, сложностями и различного рода нагрузками. Анализируя положительные эффекты любви, разумно предположить, что данная способность появилась и развивалась в процессе эволюции, так как имеющие ее пары обладали более высокой выживаемостью, чаще давали потомство, чем люди, не имеющие данную способность.
Что такое энергия человека?
Наша энергия есть не что иное, как скорость работы нашего мозга. Когда люди говорят об энергии человека, они рассуждают лишь о наблюдаемых со стороны вещах: человек активен, смело вступает в дискуссии, смеется, радуется, уверенно отстаивает точку зрения, изматывая собеседников, но почему и отчего он так себя ведет? Если у человека быстро работает мозг, это дарит ему эйфорию и уверенность, он понимает, что ему по силам любые задачи, не страшны сложности, он легко разберется с любой проблемой. Скорость работы нашего мозга — главный и самый важный ресурс человека. Ускорьте мозг — человек становится активным, уверенным, целеустремленным, талантливым, замедлите — тут же человека окутывает страх, нервозность, неуверенность, ресурса мозга не хватает, чтобы осознать и понять причины происходящих событий, ему становится некомфортно, он начинает везде видеть подвох и угрозу.
Что дает любовь людям?
«Шаринг» ресурса мозга. Принципы работы нейронных сетей позволяют решать поставленные задачи за счет входящих в эту сеть элементарных вычислительных единиц — нейронов. Чем больше нейронов в областях мозга, тем быстрее и эффективнее работает эта нейронная сеть. За счет спутывания частиц в нейронах мозга влюбленных людей они получают возможность использовать часть мозга своей пары, мы неосознанно заставляем нейроны своей пары решать нужные нам задачи. Этим объясняется подсознательное стремление людей к формированию социальных связей. Наше подсознание знает, насколько ценно получать подпитку в виде дополнительного вычислительного ресурса мозга связанных с нами людей, поэтому мы постоянно стремимся увеличивать количество таких связей. Нашему подсознанию нужно, чтобы о нас думали, особенно близкие люди, так как уровень связи с ними больше за счет большего количества спутанных с ними частиц в нейронах мозга. Именно поэтому наше подсознание посредством гормональных механизмов дарит нам множество приятных ощущений, когда мы общаемся с близкими людьми, увеличиваем количество социальных связей, влюбляемся.
Решение сложных задач. Моменты наибольшей скорости работы мозга мы назвали вдохновением — это настолько большой переизбыток вычислительного ресурса мозга, что нам хочется выплеснуть его во что-то невообразимое. В обычной жизни для наступления такой ситуации необходимо, чтобы сошлось множество обстоятельств: отличное состояние здоровья человека, мозг хорошо снабжается питательными веществами и микроэлементами, отсутствуют проблемы и иные значимые отвлекающие мозг факторы, человека окружают друзья, которым он доверяет, и любимый человек, с которым он видит будущее и полностью открыт. Так были созданы самые красивые и, как следствие, интеллектуально сложные произведения, гениальные творения искусства, архитектуры, живописи. За всеми ими стоит математика интеллектуального ресурса, который автор получил за счет усиления связи с близкими ему людьми.
Телепатия. В моменты максимально сильной связи влюбленные люди проявляют телепатические способности, что выражается в передаче мыслей, образов и ощущений, не смотря на физические расстояния между ними. Связь между людьми крайне непостоянна и за 1 минуту может сильно менять свое значение, поэтому для проведения подтверждающих существование телепатии экспериментов с высокой степенью научной значимости необходимо учитывать данные обстоятельства, создать необходимые условия для фиксации данного феномена.
Можно ли измерить уровень связи людей?
В повседневной жизни самую масштабную связь нейронов мозга мы наблюдаем между двумя влюбленными людьми, особенно в случаях, когда это взаимные чувства. Однако не только влюбленные люди предрасположены к такой связи. Спонтанные эффекты передачи нейронной активности наблюдаются повсеместно между родственниками, друзьями, тесно связанными людьми на работе. Как правило, чем интереснее нам человек, чем сильнее мы концентрируем на нем внимание, и, как следствие, чем больше частиц в нейронах разных областей мозга находятся в квантово-спутанном состоянии, тем чаще и сильнее люди подсознательно ощущают друг друга на расстоянии. В мозге человека примерно 85 миллиардов нейронов. Если принять за меру уровня связи количество связанных нейронов в мозге человека (содержащих спутанные частицы), при условии, что нейрон либо проявляет эффекты связи, либо нет, то можно ввести условную переменную L (Love), которая будет отражать уровень связи людей, принять, что 1 L = 1 миллиарду связанных нейронов. Каждому уровню связи L соответствуют испытываемые человеком физические ощущения и статусы, которым люди дали названия, от родственных связей до очень сильного ощущения любви. Уровень связи L является крайне нестабильной характеристикой, его волнения происходят в режиме реального времени и с достаточно сильной амплитудой. В современном мире на уровень связи влияет множество обстоятельств, от состояния здоровья человека до состояния его дел на работе. В данном описание первостепенной задачей стоит передать принцип, в действительности значения могут отличаться.
Как спутываются частицы?
Наш мозг находится в темной черепной коробке и никогда не видел свет, он создает картину мира посредством органов чувств. Цвет предметов, ощущение времени, наблюдаемые объекты в большей степени создаются в нашей голове, нежели связаны с реальностью. Все наши взаимодействия посредством органов чувств тесно связаны с нашими мыслями. Мы думаем произнести слово, произносим, нас слышит человек, который воспринимает произнесенное слово. В обоих случаях активность нейронов — порожденная мыслями в голове говорящего и активность нейронов слушателя — зеркальна. Похожим образом работают так называемые зеркальные нейроны, предположительно ответственные за обучение и адаптацию человека. Если человека колют иголкой, он ощущает боль, которая кодируется определенным паттерном нейронной активности. Если он наблюдает, как другого человека колют иголкой, зеркальные нейроны также активизируются, как будто кололи его.
Как поддерживается связь?
Микротубулы. Микротубулы – полые белковые внутриклеточные структуры диаметром 25 нанометров, входящие в состав цитоскелета клеток. Британский физик Роджер Пенроуз опубликовал несколько статей, в которых изучалась работа микротубул, содержащихся в нейронах головного мозга и синапсах. Микротубулы состоят из 2-х видов белка – тубулина. В работе изучаются протекающие в микротубулах квантовые процессы, описываются принципы формирования и хранения квантовых состояний, а также их влияние на работу синапсов и нейронов.
Молекулы Познера. В 1975 году Аарон Познер, ученый из Корнелльского университета, обнаружил непонятную кластеризацию кальция и фосфора при изучении рентгеновских снимков костей. Он нарисовал структуру этих кластеров — девять атомов кальция и шесть атомов фосфора, и позднее в его честь их стали называть «молекулами Познера». Эти кластеры вновь заявили о себе в 2000-х, когда ученые, симулируя рост костей в искусственной жидкости, заметили их плавающими в ней. Последующие эксперименты обнаружили доказательства наличия их в теле. Ученые считают, что «молекулы Познера» могут служить естественным кубитом мозга.
Электроны. Элементарная частица, cчитается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества, образующая его «электронные оболочки». Электрон присутствует в различных химических элементах, входящих в состав нейронов мозга и подвержен квантовым эффектам, в том числе квантовой запутанности. Учеными неоднократно проводились эксперименты по запутыванию электронов, в том числе с использованием ионных ловушек. В экспериментах было установлена возможность передачи запутанного состояния от фотонов к электронам, так же было установлено что электроны могут сохранять запутанное состояние длительные промежутки времени.
Предлагаемый эксперимент
Для получения научно значимого подтверждения существования подсознательных коммуникаций людей и проявления телепатических способностей необходимо с помощью высокоточного оборудования зафиксировать наличие одновременных нейронных всплесков находящихся на расстоянии людей, исключив традиционные каналы получения информации. Для участия в эксперименте необходимо пригласить влюбленные пары в возрасте 16-25 лет. Анализируя через камеры видеонаблюдения их поведение с помощью психологов и специалистов по невербалике, в зале ожидания необходимо отобрать 50 влюбленных пар, которые по мнению специалистов, сильно любят друг друга. Каждая пара приходит на эксперимент, в котором проверяется их способность к подсознательным коммуникациям, после чего их разделяют в разные комнаты, находящиеся на расстоянии и хорошо изолированные. Один человек ложится в прибор для проведения МРТ, где в режиме реального времени сканируется активность разных областей головного мозга, другой человек находится в комнате, где на экране появляется информация, вызывающая всплески нейронной активности. Анализируя собранные данные, можно делать вывод о наличии либо отсутствии статистически значимого научного подтверждения изложенной в данной статье теории.
Заключение
Люди сталкивались с феноменом подсознательных коммуникаций на протяжении многих сотен лет. Сложность научного обоснования и непостоянство данного феномена привели к тому, что данная тематика обросла большим количеством паранормальных и изотерических толкований. Данная статья призвана научно обосновать и подтвердить квантовые коммуникации между мозгом различных людей, привлечь к данному феномену общественное внимание, доказать, что как любовь, так и более слабые уровни связи между людьми так же реальны, как и все, что нас окружает. Продолжая данную теорию, учитывая распространенность химических элементов и их соединений в окружающем нас мире, к примеру, повсеместное присутствие воды, данная теория может стать научной основой для доказательства влияния нейронной активности человека, его мыслей и эмоций на окружающий нас мир, связь психоэмоционального состояния социума с погодой и иными природными явлениями.
Литература
1. E. Megidish, A. Halevy, T. Shacham, T. Dvir, L. Dovrat, and H. S. Eisenberg. Entanglement Swapping between Photons that have Never Coexisted. Phys. Rev. Lett. 110, 210403 ( 2013) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.210403
2. Brenda J. Dunne, Roger D. Nelson, Robert G. Jahn. Operator-related anomalies in random mechanical cascade. Journal of Scientific Explonation. (1988). Vol. 2. N2. pp. 155-159 Pergamon Press. https://www.princeton.edu/~pear/pdfs/1988-operator-related-anomalies-rmc.pdf
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Microtubule Structures. Molecular Cell Biology. (2000). № 4. New York: W. H. Freeman; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21580/
4. Adele L. Boskey. Amorphous Calcium Phosphate: The Contention of Bone. (1997) Biochemistry, Cornell University Medical College; The Hospital for Special Surgery, New York http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/00220345970760080501
5. Penrose R. Shadows of the Mind A Search for the Missing Science of Consciousness Oxford University Press New York Oxford (1994) https://altexploit.files.wordpress.com/2017/07/roger-penrose-shadows-of-the-mind_-a-search-for-the-missing-science-of-consciousness-oxford-university-press-1994.pdf
6. Mohan Sarovar, Akihito Ishizaki, Graham R. Fleming, K. Birgitta Whaley. Quantum entanglement in photosynthetic light harvesting complexes. (2010). https://arxiv.org/abs/0905.3787
7. Robert Desbrandes, Daniel Van Gent. Intercontinental quantum liaisons between entangled electrons in ion traps of thermoluminescent crystals. (2006) https://arxiv.org/abs/quant-ph/0611109
8. Stuart Hameroff, Roger Penrose. Consciousness in the universe A review of the ‘Orch OR’ theory. Anesthesiology, Psychology and Center for Consciousness Studies, The University of Arizona, Tucson, AZ, USA, Mathematical Institute and Wadham College, University of Oxford, Oxford, UK (2013) https://doi.org/10.1016/j.plrev.2013.08.002
9. Sechzer JA, Lieberman KW, Alexander GJ, Weidman D, Stokes PE. Aberrant parenting and delayed offspring development in rats exposed to lithium. Biol Psychiatry. (1986). 21(13):1258-66. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3019440
10. А.Д. Панов. Технологическая Сингулярность. Теорема Пеноруза об искусственном интеллекте и квантовая природа сознания. Приложение к журналу Инфомационные технологии. Изд. Новые технологии. (2014). N5 М. http://alpha.sinp.msu.ru/~panov/AI-2014.pdf
11. Лоуренс Г. Последние тайны старой Африки. (1966). Москва: Мысль
12. Кучин В. Разгадка тайн истории. Ред. 3. Нижний Новгород. (2015)
13. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). Издание 3-е, переработанное и дополненное. — М.: Наука, 1974. — 752 с. — («Теоретическая физика», том III).
Алексей Николаевич ИГНАТЬЕВ
Адыгейский Государственный Университет, физический факультет, специалист АСОИУ (2000-2006г). Группа компаний «Информ-Системы», Директор.
[email protected], http://alexeyignatiev.livejournal.com
globalscience.ru
Квантовая связь: дальность растёт | Наука и жизнь
Российские исследователи разработали принципиально новую систему квантовой связи для защищенного обмена данными на большое расстояние.
Исследователи из Санкт-Петербургского университета Информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) создали систему квантовой связи для защищенной передачи данных на основе принципиально нового подхода. Система позволит передавать данные на расстояния более 250 километров, что не уступает самым современным зарубежным устройствам. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics Express.
Экспериментальная установка квантовой криптографической системы.‹
›
Желание защитить информацию возникло одновременно с появлением письменности. Но в наше время, когда значительная часть коммерческой, технологической, да и просто личной информации передается в цифровом виде, важность сохранения секретности возросла неимоверно.
На сегодняшний день разработано большое число криптографических методов защиты информации. Однако традиционные шифры, основанные на математических методах, могут быть взломаны с использованием современных компьютерных технологий. Это лишь вопрос времени. На помощь может прийти квантовая криптография, обеспечивающая полную секретность передачи информации благодаря законам физики. Информация в квантовых системах связи передается одиночными фотонами, которые нельзя незаметно «похитить» или скопировать, поскольку любое воздействие на фотон изменяет его.
Проблема разработчиков квантовой связи заключается в эффективной и надежной передаче фотона по оптоволоконной линии, так как по дороге на него может воздействовать множество факторов, которые приведут к его разрушению. Причем, чем длиннее линия связи, тем больше вероятность «поломки» фотона».
Исследователи из университета ИТМО создали систему квантовой связи на основе кодирования квантовой информации на так называемых боковых частотах. Этот принцип, предложенный в свое время сотрудником университета Юрием Мазуренко, заключается в передаче не одного синусоидального колебания с заданной частотой, а нескольких независимых волн с разными частотами (спектра). Кодирование в этом случае осуществляется не основной синусоидой, а параметрами вспомогательной синусоиды – ее частотой смены фазы, фазовым положением. Другими словами квантовая информация передается отстройкой дополнительных частот в спектре относительно центральной частоты. В линии связи могут существовать помехи, которые изменяют параметры передаваемых сигналов и приводят к ошибкам при приеме информации. При передаче информации сигналом только одной частоты невозможно узнать, связано ли его изменение с кодированием, осуществленным отправителем, или со случайной помехой на линии. Это не позволяет обнаружить ошибку. В новом методе все частоты спектра передаются единым импульсом, и при наличии помехи на линии связи все они изменятся синхронно, сохранив сдвиг, кодирующий информацию.
Такой подход дает много преимуществ. В частности, он упрощает конструкцию устройства, обеспечивает высокую устойчивость к внешним воздействиям и большую пропускную способность канала связи. По скорости и дальности передачи информации разработанная система сопоставима с абсолютными рекордами в области квантовой коммуникации. Кроме того, данный метод способен обеспечить передачу в одном оптоволоконном кабеле большого числа потоков данных на разных частотах. Более того, такие потоки могут подаваться на существующие линии связи одновременно с традиционными сигналами.
В дальнейшем разработчики собираются создать полноценную квантово-криптографическую систему связи и подготовить стандарты, которые позволят осуществить её внедрение.
По материалам Университета ИТМО
www.nkj.ru
Состоялся первый сеанс трансконтинентальной спутниковой квантовой связи
Отслеживание «Мо Цзы» с обсерватории Синлун
Sheng-Kai Liao et al. / Nature
29 сентября президенты Австрийской и Китайской академии наук провели первый сеанс трансконтинентальной связи, ключ шифрования для которой был распределен с помощью методов квантовой криптографии. Эксперимент установил новый рекорд дальности квантовой связи — свыше 7400 километров (расстояние между Веной и Пекином). Ключевым инструментом стал спутник «Мо Цзы» (Micius, QUESS), известный первой успешной телепортацией квантового состояния частиц на орбиту Земли. Как отмечает пресс-релиз Китайской академии наук, аналогичные сеансы связи в будущем состоятся между Китаем и Россией, Германией, Италией и Сингапуром. Кратко об этом сообщает издание Physics World.
Обновлено: в январе 2018 года статья опубликована в Physical Review Letters.
Квантовое распределение ключа — особый способ генерации секретного ключа между отправителем и получателем информации, который делает перехват информации невозможным на уровне законов квантовой механики. Он заключается в следующем. Отправитель создает одиночные фотоны в случайном состоянии, кодирующем либо ноль, либо единицу в случайно выбираемом методе измерения. Например, вертикальная и горизонтальная поляризация кодируют «ноль» и «единицу» в одном методе измерения, а две диагональных поляризации отвечают «нулю» и «единице» в другом методе измерения. Затем получатель случайным образом выбирает способ измерения состояния фотона. На последнем этапе участники связи обмениваются выбранными способами приготовления и измерения состояний и, если они совпадают, полученный бит записывается в секретный ключ шифрования. Любая попытка третьей стороны «подслушать» поляризацию фотона приведет к необратимому изменению его состояния — отправитель и получатель обнаружат ошибки при частичной сверке ключа, после чего «подслушанный» ключ будет отвергнут. Подробнее об этом протоколе можно прочесть в нашем материале «Выдергиваете и сжигаете».
В наземных условиях квантовое распределение ключа ограничено потерями одиночных фотонов в среде — например, в оптоволокне. Поэтому предельные расстояния передачи сигнала — около ста километров. Эту дистанцию можно увеличить используя менее «шумную» среду, такую как космическое пространство. Первые эксперименты по квантовому распределению ключа были проведены с помощью китайского спутника «Мо Цзы», одиночные фотоны передавались к наземным станциям с помощью телескопов на расстояния до 1200 километров.
Схема эксперимента
Sheng-Kai Liao et al. / Nature
Новый эксперимент был построен следующим образом. На первом этапе с помощью квантовых методов генерировался секретный ключ между «Мо Цзы» и обсерваторией неподалеку от Вены. Затем другой ключ создавался между спутником и Пекином. На последнем этапе два ключа объединялись на «Мо Цзы» и распределялись между городами. Технические подробности (длина ключей, скорость генерации) не уточняются. 29 сентября эти ключи использовались для шифрования сеанса видеосвязи между Бай Чуньли, президентом Китайской академии наук, и Антоном Цайлингером, президентом Австрийской академии наук.
Существует альтернативный подход к квантовому распределению ключа, не требующий использования спутников — использование доверенных промежуточных узлов. По такой схеме была построена линия связи Пекин-Шанхай с протяженностью 2000 километров (32 промежуточных узла).
Городские квантовые сети существуют уже в десятке стран, в том числе и в России — в Москве, Казани и Санкт-Петербурге. Недавно на базе московской квантовой сети ученым удалось выстроить квантовый блокчейн.
Владимир Королёв
nplus1.ru
