Квантовую запутанность научились сохранять при усилении сигналов. Передача информации квантовая запутанность


Возможна ли мгновенная передача информации? Эксперименты с квантово запутанными частицами

Доброго времени суток всем! Мы продолжаем рассматривать возможности квантовой механики для передачи информации с использованием корреляции квантово-запутанных частиц. В отличие от классических способов связи, использование квантово запутанных частиц дает потенциальную возможность мгновенно передавать информацию на большие расстояния. Трудность заключается в том, чтобы найти способы кодирования и декодирования передаваемой информации. Данная статья посвящена поиску решений данной задачи и возможности создания экспериментальной установки. Если вас тоже интересует данная задача — добро пожаловать под кат! Напомню, что в прошлой статье мы рассматривали одну из возможных схем для передачи информации между двумя удаленными объектами. В частности была рассмотрена оптическая схема со светоделителями для получения интерференции, а также схема детектирования и квантового стирания с использованием двух даун-конверторов. В комментариях было множество обсуждений по поводу работоспособности такой схемы, а также критика со стороны хабрапользователей, что применение даун-конверторов приводит к взаимодействию с исходной частицей, сдвигу фаз интерференционного паттерна и прочим неприятным последствиям. Я не исключаю такой возможности, поэтому после детального рассмотрения решил исключить использование даун-конверторов и построить схему с использованием круговых и линейных поляризаторов. Забегая вперед, могу сказать, что у данного решения есть свои трудности, вследствие которых невозможно получить картину интерференции. Для решения этих трудностей мы применим элегантный подход, вытекающий из следствия самой квантовой механики. Я глубоко благодарен всем, кто участвовал в обсуждении прошлой статьи. Ваши доводы и критика помогли мне глубже понять сопутствующие трудности, искать больше информации и находить новые решения.

Для начала рассмотрим реальную экспериментальную установку. Луч лазера попадает на нелинейно-оптическое устройство: кристалл бета-бората бария (BBO), благодаря которому один фотон преобразуется в два запутанных фотона более низкой частоты. Процесс, известен как спонтанное параметрическое рассеяние. Полученная пара фотонов следуют разными путями, один из которых поступает непосредственно на детектор 1, а второй проходит через двойную щель и попадает на детектор 2. Оба детектора подключены к схеме совпадений, гарантируя, что будут учитываться только запутанные пары фотонов. Шаговый двигатель перемещает второй детектор и сканирует целевой область, создавая карту интенсивности, которая формирует знакомую картину интерференции.

Для фотона, проходящего через двойную щель перед каждой щелью помещаются круговые поляризаторы, создающие поляризацию света по часовой стрелке при прохождении одной щели, и поляризацию против часовой стрелки при прохождении другой щели. Фотоны проходящие через поляризатор по часовой стрелке не могут пройти через поляризатор направленный против часовой стрелки. А фотоны проходящие через поляризатор против часовой стрелки, не могут пройти через поляризатор направленный по часовой стрелке. Круговые поляризаторы «маркируют» фотоны, разрушая интерференционную картину на втором детекторе (Законы Френеля-Араго).

Далее вводится линейный поляризатор на пути первого фотона, позволяющий получить диагональную поляризацию фотонов. Запутывание обеспечивает также дополнительную диагональную поляризацию в своем партнере, которая проходит через двойную щель. Это меняет эффект круговых поляризаторов — теперь каждый фотон способен пройти через круговые поляризаторы по часовой стрелке и против часовой стрелки. Таким образом, больше невозможно определить по какому пути прошли фотоны, и интерференционные полосы восстанавливаются.

Рассмотрим это подробнее на следующем примере. Представим себе Алису, использующую линейную или круговую поляризацию на первом детекторе мгновенно влияя на результаты измерения Боба на втором детекторе. Предположим, что кристалл BBO производит следующее состояние:

Если Алиса помещает круговой поляризатор перед детектором, который отфильтровывает фотоны с поляризацией по часовой стрелке, то каждый раз, когда Алиса измеряет фотон, соответствующий фотон Боба обязательно имеет поляризацию по часовой стрелки: Поскольку Боб разместил возле каждой щели противоположные поляризационные фильтры, мы знаем, что эти фотоны могут пройти только (скажем) первую щель. Из этой щели они попадают на экран в соответствии с волновой функцией: где a — расстояние между прорезями, d — расстояние от щелей до экрана, а x — расстояние до середины экрана. Интенсивность света на экране (количество фотонов) будет пропорциональна квадрату амплитуды этой волны, другими словами Аналогично, когда Алиса измеряет фотон с поляризацией против часовой стрелки, соответствующий фотон Боба оказывается поляризованным против часовой стрелки, который может проходить только через вторую щель и попадать на экран с волновой функцией Обратите внимание, что единственным отличием является знак a / 2, потому что фотон испускался из другой щели. На экране мы также увидим пятно, — но это другое пятно, который сдвинут на расстояние a. Здесь есть один важный момент: если Боб никогда не узнает, какую поляризацию применила Алиса, то Боб на самом деле видит на своем экране сумму двух интенсивностей: поскольку оба они производятся в равных количествах кристаллом. Боб может различать только два пика в своих данных. Только после получения результатов измерения Алисы он сможет увидеть, что для набора фотонов, где Алиса измерила поляризацию по часовой стрелке, подмножество фотонов Боба распределилось согласно а для набора фотонов, где Алиса измеряет поляризацию против часовой стрелки, подмножество фотонов Боба распределилось согласно (два пика и их сумма, когда Алиса измеряет поляризацию фотонов с помощью кругового поляризатора)

Теперь рассмотрим ситуацию, когда Алиса будет использовать линейный поляризатор вместо кругового. Первое, что нужно сделать, это записать волновую функцию системы в терминах состояний линейной поляризации:

При использовании Алисой горизонтального поляризатора, волновая функция фотонов Боба окажется в состоянии суперпозиции поляризации по часовой стрелке и против часовой стрелки. Это означает, что фотон действительно сможет проходить через обе щели! При попадании на экран мы получим амплитуду волны и его интенсивность где представляет собой разность фаз между двумя волновыми функциями в положении х на экране. Теперь на экране действительно интерференционная картина! Аналогично, если Алиса будет использовать вертикальный поляризатор, то амплитуда волн фотонов Боба равна а интенсивность И снова на экране возникает интерференционная картина, но она слегка изменилась от предыдущего из-за разности фаз фотонов, пересекающих горизонтальный и вертикальный поляризатор.

Так может ли Алиса послать сообщение Бобу, кодируя свое сообщения с использованием линейных и круговых поляризаторов? К сожалению нет. Так как Бобу не сообщили, какая поляризация была использована Алисой, все, что он видит, является суммой двух интерференций. Следовательно, результат,

снова является пятном.(два шаблона интерференции и их сумма, когда Алиса измеряет поляризацию фотонов с помощью линейного поляризатора)

Корреляции меняются в зависимости от того, какой эксперимент проводит Алиса. Несмотря на то, что общая картина одинакова, два подмножества в итоге дают радикально разные корреляции: если Алиса использует линейную поляризацию, то полная картина на экране формируется из двух интерференционных картин, а если Алиса использует круговую поляризацию, то картина представляет собой сумму двух пиков.

Чтобы обнаружить интерференцию потребуется изменить данный эксперимент следующим образом: вместо двух щелей с круговыми поляризаторами необходимо будет установить интерферометр Маха Цендера. Рассмотрим подробнее принцип работы данного интерферометра и попробуем узнать, что измениться при его использовании.

ИНТЕРФЕРОМЕТР МАХА ЦЕНДЕРА На входе интерферометра находится полупрозрачное зеркало, расщепляющее световой поток на два луча. Отражаясь от двух непрозрачных зеркал они сводятся вместе во втором полупрозрачном зеркале. Будь фотон классической частицей то с вероятностью 50% он мог бы пройти через первое полупрозрачное зеркало, и с вероятностью 50% отразится от него.

Допустим, фотон прошел первое полупрозрачное зеркало и двигается по нижней ветке. На втором полупрозрачном зеркале он также может пройти или отразиться с вероятностью 50%. То есть вклад нижней ветки таков: 25% от исходного количества фотонов будут двигаться вверх после второго полупрозрачного зеркала и 25% вниз. Если же фотон отразился на первом полупрозрачном зеркале и пошел по верхней ветке, то на втором полупрозрачном зеркале он тоже может либо пройти либо отразиться. Вклад верхней ветки также будет по 25% вверх и вниз. Общая вероятность есть сумма вкладов от двух веток и составляет 50%, что фотон будет двигаться вверх после прохождения второго полупрозрачного зеркала и 50% что вниз.

Если же провести реальный эксперимент, мы увидим, что все фотоны пройдя прибор будут двигаться вниз. Ни один фотон после второго полупрозрачного зеркала не будет двигаться вверх. Дело в том, что пройдя первое полупрозрачное зеркало фотон будет описываться не классическими вероятностями, а квантовой суперпозицией.

Обозначим базисными кет-векторами со стрелочками два возможных направления движения фотона: вверх и вниз. Тогда изначально фотон будет описываться вектором состояния «вниз». После прохождения первого полупрозрачного зеркала фотон будет в суперпозиции базисных векторов «вверх» и «вниз». Эта суперпозиция является еще одной физической реализацией кубита, наравне со спином электрона и поляризацией фотона.

Квадраты абсолютного значения амплитуд вероятности как раз будут классические вероятности прохождения и отражения фотона. После первого полупрозрачного зеркала они будут совпадать с классическими: 50% что фотон движется вверх и 50% что вниз. После прохождения второго полупрозрачного зеркала амплитуды вероятности изменят свои значения. Причем в рамках квантовой механики можно посчитать, что одна из них будет равна нулю, а другая единице. То есть фотон вернется в состояние, описываемое базисным вектором вниз. Со стопроцентной вероятностью после прохождения второго полупрозрачного зеркала фотон будет двигаться вниз.

На выходе второго полупрозрачного зеркала наблюдается ни что иное как интерференция фотона с самим собой. Если мы попытаемся узнать по какому из плечей интерферометра действительно прошел фотон, то интерференция пропадает.

ЭКСПЕРИМЕНТ Попробуем разместить круговые поляризаторы в интерферометре Маха Цендера. На одном плече интерферометра установим круговой поляризатор по часовой стрелке. На другом плече установим круговой поляризатор против часовой стрелки. Причем на верхнем плече круговой поляризатор устанавливается непосредственно после полупрозрачного зеркала. На нижнем плече круговой поляризатор устанавливается после отражающего зеркала. Дело в том, что фотон с круговой поляризацией отражаясь от зеркала меняет направление поляризации на противоположный. Поэтому для фотонов, которые не отразились от полупрозрачного зеркала, круговая поляризация устанавливается после отражения от зеркала.

Наличие поляризаторов в интерферометре дает потенциальную возможность определить путь, по которой прошел фотон. Поэтому фотон будет проходит либо по верхнему плечу, либо по нижнему плечу, и никогда не пройдет через оба плеча одновременно. Соответственно мы не наблюдаем интерференцию на выходе. Отсутствие интерференции приводит к тому, что на выходе мы получим 50% фотонов направленных вверх и 50% фотонов направленных вниз.

Ситуация изменится, если использовать квантово-запутанные частицы. Допустим луч лазера попадает на нелинейно-оптическое устройство: кристалл бета-бората бария (BBO), благодаря которому один фотон преобразуется в два запутанных фотона более низкой частоты. Полученная пара фотонов будут следовать разными путями, один из которых проходит круговой поляризатор и попадает непосредственно на детектор 1, а второй проходит через интерферометр с круговыми поляризаторами и попадает на детектор 2 или 3.

Если на пути первого фотона разместить круговой поляризатор мы также не увидим интерференцию. Соответственно, на выходе мы получим 50% фотонов направленных вверх и 50% фотонов направленных вниз.Но если на пути первого фотона разместить линейный поляризатор расположенный по диагонали, то запутанное состояние обеспечит дополнительную диагональную поляризацию в своем партнере. Наличие дополнительной линейной поляризации позволит фотонам пройти через оба плеча и интерферировать самим собой. При этом интерференция будет иметь разность фаз (фотоны, партнеры которых прошли через линейный поляризатор и партнеры которых не прошли, создадут на экране интерференцию, смещенный друг относительно друга). Полагаю, как и в первом эксперименте, мы не увидим интерференционных полос на выходе интерферометра. Несмотря на это, фотон на выходе из второго полупрозрачного зеркала вернется в состояние, описываемое базисным вектором вниз. Поэтому после прохождения второго полупрозрачного зеркала все фотоны будут двигаться вниз.

Такая схема реализации удобна тем, что не требует устанавливать схему совпадений запутанных частиц, выпускать фотоны поодиночке и анализировать положение каждого фотона на экране. Устанавливая или убирая линейный поляризатор на пути запутанных частиц можно моментально влиять на распределение их партнеров между детекторами 2 и 3. Достаточно сравнить интенсивность светового потока в обоих детекторах и определить передаваемый бит информации. Естественно, на выходе кристалла BBO не все фотоны получаться запутанными. Количество запутанных пар будет составлять несколько десятков процентов из общего числа. Но даже небольшое изменение интенсивности света могут быть зафиксированы детекторами, что позволит расшифровать передаваемую информацию. Второй большой плюс состоит в том, что запутанные пары не находятся в состоянии суперпозиции между собой. Это позволяет им взаимодействовать с окружающей средой и при этом не разрушать передаваемую информацию, в отличии от квантовой телепортации, когда взаимодействие с воздухом или оптическим кабелем разрушает волновую функцию фотона.

СОПУТСТВУЮЩИЕ ПРОБЛЕМЫ Применение такой схем позволит достичь минимальной задержки при передачи информации на большие расстояния. Скорость передачи информации может существенно превосходить скорость света в вакууме. Некоторые утверждают, что СТО/ОТО запрещает передачу информации со скоростью выше скорости света. Идея конечности скорости света была предложена Пуанкаре и получена из формул Максвелла. При этом изначально речь шла об электромагнитном поле, а затем с лёгкой руки Альберта Германовича была распространена на все массивные и безмассовые материальные объекты. Важно подчеркнуть, что об информации речи не было, если открыть любую книжку по СТО/ОТО, информация не присутствует в математическом формализме. Поэтому когда утверждают о том, что СТО/ОТО запрещает передачу информации выше скорости света, делается неявное предположение, что иного способа, кроме как «посадить информацию» на пучок фотонов/электронов и т.д. не существует.

ЭНТРОПИЯ Как мы знаем энтропия – это мера беспорядка. Считается, что течение времени приводит к увеличению энтропии. Значит, прошлое должно иметь меньшую энтропию, чем будущее. И если мы попытаемся вернуться в прошлое, то это приведет к проблеме возросшей энтропией. В действительности энтропия никак не связана с передачей информации, поскольку мы не отправляем в прошлое никакие материальные тела. Поэтому проблему возросшей энтропии термодинамических систем нельзя применять к фотонам.

ПРИНЦИП ПРИЧИННОСТИ Одним из основных проблем мгновенной передачи информации является нарушение принципа причинности. Заметим, что современная физика нигде не требует соблюдения причинности на квантовом уровне, поэтому её среди постулатов физики нет. Существуют квантовые эксперименты, в которых стрела времени вполне может быть повернута вспять. Однако от соблюдения причинности человек пока отказаться не может, т. к. это противоречит нашей логике.

Согласно теории относительности Эйнштейна мгновенная передача информации позволяет получить информацию прежде, чем она будет отправлена. Например, если решим отправить информацию самому себе, то можем провести эксперимент таким образом, чтобы получить информацию до того, как мы его отправим. Допустим, что мы будем передавать информацию с помощью запутанной пары. Тогда один фотон пройдет через интерферометр и попадет на детектор, а второй фотон, например, отправится на Луну, где отразится от зеркала и вернется обратно к нам.

Устанавливая или убирая линейной поляризатор на пути второго фотона, мы можем влиять на результат на выходе интерферометра. Значит, наблюдая за детекторами на выходе интерферометра, мы будем заранее знать, какую информацию решим отправить через 2,5 секунды (время полета фотонов до Луны и обратно). Это может привести к «парадоксу убитой дедушки», когда мы увидели одно значение, а решили отправить противоположное.

Данную проблему позволяет решить теория альтернативных реальностей Хью Эверетта, у которого на сегодняшний день имеется много сторонников. Согласно теории Эверетта, существует бесчисленное множество альтернативных реальностей. При каждой возможности выбора наша реальность делится на несколько альтернативных реальностей, в которых реализуются все возможные варианты выбора. Реальности могут пересекаться и расходится, образуя множество вариантов прошлого и будущего.

По этой теории интерференция на двух щелях – это пересечение двух схожих реальностей без какого либо коллапса волновой функции. В одной реальности фотон проходил через первую щель, в другой реальности фотон проходил через вторую щель. При пересечении двух реальностей получается, что фотон проходил через обе щели. Мы не можем узнать через какую именно щель прошел фотон, потому что прошлое фотона для нас неопределенно. Тоже самое относится к будущему. После излучения фотона мы не можем знать где оно находится. Фотон может находится где угодно, и в каждой версии будущего реализуется один из вероятностей, где траектория фотона точно определена.

Если теория Хью Эверетта верна, то наше решение отправить противоположное значение вместо увиденного не приведет к «парадоксу убитой дедушки». В данном случае мы получим лишь среднее значение из двух возможных вариантов, по которому уже не сможем определить какую информацию решили отправить себе в будущем. Мы можем отправить любой вариант и это не приведет никаким проблемам.

Проведение реальных экспериментов, возможно, позволят нам получить экспериментальное подтверждение данной теории. Хотя косвенное подтверждение теории уже имеется. Например, существует возможность получить фотографию микроскопических объектов, не возмущая исследуемый объект (т.е. не направляя на объект ни единого фотона). Данное явление активно изучается с целью построения новых типов микроскопов.

АНАЛИЗ БУДУЩЕГО Теория многомировой интерпретации не означает, что нет никакой возможности получить достоверную информацию из будущего. Использование вышеописанной схемы в детерминированных системах позволит получить достоверный прогноз с высокой степенью вероятности. Например, если мы решим узнать «исчезнет ли завтра Луна», то во многих альтернативных вариантах развития событий (расходящихся из нашей сегодняшней реальности) такая вероятность будет минимальна. Соответственно, результаты эксперимента будут указывать преимущественно на один вариант ответа. Можно также получить прогноз погоды с высокой степенью достоверности, минуя огромное количество вычислений в суперкомпьютерах. Возможности применения в области прогнозирования весьма велики. Одним из важных задач для анализа может выступать прогнозирование важных решений и анализ их последствий.

Следует отметить, что до реального использования в области прогнозирования будущего еще далеко. Чтобы получить задержку на сутки, потребуется вывести спутник с зеркалом на границу Солнечной системы и изготовить очень качественный лазер с минимальным углом расходимости. Если использовать многократное переотражение луча, потребуется создание идеально отражающих зеркал. Например, за сутки придется 70000 раз переотразить луч лазера между Землей и Луной. Возможно, решением станет замедление скорости света при помощи сверхохлажденной среды, известной как конденсат Бозе-Эйнштейна. Насколько мне известно, физикам из Роуландовского института научных исследований удалось замедлить скорость света до 17 метров в секунду, а через несколько лет группе ученых из Гарвардского университета удалось даже полностью остановить свет на 10-20 мс.

Источники:Quantum eraser experimentИнтерференция кубита с самим собойРеально ли многомирие?

habr.com

Квантовая сцепленность, информация и сигнал / СоХабр

6 августа 2017 в 14:12 (МСК) | сохранено 7 августа 2017 в 17:12 (МСК)

Издавна мы передаем сигналы при помощи различных носителей информации. Мы использовали сигнальные костры, барабаны, голубей, электричество. И в итоге опять пришли к свету — к передаче информации по оптике. А теперь изучаем сцепленные фотоны. Все мы знаем, что напрямую через квантовую сцепленность передать можно ключ, но не иную информацию. А если не напрямую, но при помощи? Кому интересно, добро пожаловать под кат.

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.

Надеюсь, со временем мы придумаем много способов использовать квантовую сцепленность. Опишу один из, по-моему, возможных.

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.

sohabr.net

квантовая запутанность передача информации видео Видео

Квантовая Запутанность или Жуткое Воздействие на Расстоянии

...

3 лет назад

Наука и Техника Вконтакте: http://vk.com/science_technology Поддержите канал: http://www.patreon.com/AlexTranslations Яндекс 41001616074670 Ссылк..

Квантовая телепортация — Юджин Ползик

...

5 лет назад

Источник — http://postnauka.ru/video/19070 Какие основные вопросы возникают при решении проблемы квантовой телепортации...

КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ РЕАЛЬНО? Как это работает?

...

2 лет назад

ТЕЛЕПОРТАЦИЯ РЕАЛЬНО? Когда люди слышат словосочетание квантовая телепортация, то ключевым словом для...

Первая в мире квантовая телепортация на орбиту Земли

...

1 лет назад

4 июля 2017 года группа китайских учёных во главе с руководителем Цзянь-Вэй Пань (Jian-Wei Pan) из университета Шанх...

Телепортация по-китайски: из Пекина в Вену

...

3 лет назад

Китай поставил перед собой амбициозную задачу. Уже этим летом ученые собираются провести квантовую телепо...

БЫСТРЕЕ СКОРОСТИ СВЕТА | КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА | ТЕЛЕПОРТАЦИЯ

...

2 лет назад

Группа: https://vk.com/goodman_team Инстаграм: https://www.instagram.com/bad_goodman/

Квантовая телепортация (рассказывает физик Евгений Смирнов)

...

2 лет назад

Квантовая телепортация — передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в простран...

Квантовая запутанность, суперпозиция и телепортация / Просто о сложном

...

1 лет назад

Парадоксы квантовой физики. Квантовая запутанность, суперпозиция и телепортация. Просто о сложном #квант...

Квантовая Магия Системы ДНК Человека :: Пётр Гаряев

...

4 лет назад

См. также - реферат «Киборги и Человек» - http://bio-lnter.net/files/cyborgsman.pdf Наш организм использует технологии телепор...

Физики провели обмен квантовой запутанности на расстоянии 100 километров

...

10 меc назад

NP171014 004 Физики провели обмен квантовой запутанности на расстоянии 100 километров.

Вся правда о телепортации

...

3 лет назад

Возможно ли мгновенное перемещение в пространстве?Каким образом теория относительности поможет в телепор...

Способы передачи информации

...

3 лет назад

Творческий проект, в который включены основные сведения о способах передачи данных, устройствах, осуществл...

Квантовая запутанность. 10.12.2015

...

3 лет назад

В чем особенности квантового мира? Что такое квантовая запутанность?

Мы можем телепортироваться? Саджан Сейни #TED-Ed

...

8 меc назад

Возможна если телепортация? Можно ли превратить бейсбол в нечто вроде радиоволн, путешествовать по зданиям...

Китай впервые в истории успешно осуществил квантовую передачу спутниковых данных [Age0+]

...

1 лет назад

Китайский спутник "Мо-цзы" впервые в истории осуществил успешную передачу данных при помощи квантовой крип...

...

1 меc назад

Лектор: Пулат Таджимуратов, магистр теоретической физики,и базовый докторант Астрономического института...

Телепортаторы и квантовая телепортация.I Vam Nauka.

...

2 лет назад

Телепортаторы и квантовая телепортация.I Vam Nauka.

Квантовая физика и сознание человека / Антропный принцип участия

...

7 меc назад

Высший уровень развития человеческой психики, позволяющий познавать окружающую действительность, способн...

3 КВАНТОВАЯ ЗАПУТАННОСТЬ

...

10 меc назад

Все смотрите здесь: http://www.evangelie.ru/forum/t140226-2.html#post5318093.

Квантовая передача данных из Китая жесть

...

2 лет назад

Поддержи стрим: https://funding.webmoney.ru/d/provsio-novoe Поддержи стрим: http://www.donationalerts.ru/c/gtater Биткоинами: ...

videoprime.ru

Квантовую запутанность научились сохранять при усилении сигналов — МФТИ

Оптоволокно - передача по нему запутанных фотонов сопряжена с разрушением запутанности. Снимок Michel Tronchetti

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 частиц при прохождении через усилитель или, напротив, при передаче на большое расстояние. Квантово запутанные частицы в настоящее время рассматриваются как основа сразу нескольких перспективных технологий, включая квантовые компьютеры и защищенные от прослушивания каналы связи. Подробности приведены в статье (см. также препринт) для журнала Physical Review A.

Квантово запутанными частицами называют квантовые объекты, которые можно описать в терминах одного общего квантового состояния. Две квантово запутанные частицы могут находиться в разных местах, на сколь угодно большом расстоянии друг от друга, но их по-прежнему надо рассматривать как единое целое: этот эффект не имеет аналогов в классической физике, и его очень активно изучают в последние несколько десятилетий. Физики уже научились запутывать фотоны и нашли им несколько применений — включая создание оптоволоконного канала связи, который в принципе невозможно прослушать. При попытке перехватить передаваемые по такому каналу данные неизбежно разрушается квантовая запутанность фотонов, и законный получатель сообщения тут же обнаруживает постороннее вмешательство.

Кроме того, квантовая запутанность позволяет реализовать квантовую телепортацию. Суть этого явления заключается в том, что некий квантовый объект (к примеру, атом) в определенном состоянии из одной лаборатории передает свое квантовое состояние другому объекту в другой лаборатории. Ключевую роль в этом играют именно квантово запутанные частицы, причем подразумевается вовсе не квантовая запутанность между теми атомами, между которыми осуществляется передача состояния. Второй атом становится абсолютно идентичен первому, который при этом переходит в какое-то иное состояние: если бы так перенесли квантовое состояние всех атомов предмета, во второй лаборатории возникла бы его идеальная копия.

Законы квантовой механики не позволяют телепортировать предметы и людей, но уже удается квантово телепортировать отдельные фотоны и атомы — а это позволяет говорить о новых возможностях по построению принципиально новых вычислительных устройств и линий связи. Квантовый компьютер за счет специфических квантовых эффектов сможет очень эффективно решать некоторые задачи и, к примеру, позволит взломать используемые сейчас в банковском деле шифры: однако пока это всего лишь теория. На практике квантовым вычислениям и телепортации мешает процесс, называемый декогеренцией.

Декогеренция — это разрушение квантового состояния за счет взаимодействия квантовой системы с окружающим миром. Для экспериментов по квантовым вычислениям приходится использовать отдельные атомы, пойманные в магнитные ловушки и охлажденные до близких к абсолютному нулю температур, фотоны же после передачи через многие километры оптоволокна в большинстве случаев перестают быть квантово запутанными и превращаются в обычные, не связанные между собой, кванты света. Чтобы построить эффективную квантово-вычислительную систему, ученым требуется решить ряд задач, и среди них отдельно надо выделить задачу сохранения квантовой запутанности как при ослаблении сигнала, так и при прохождении его через усилитель. Оптоволоконные кабели, проложенные по дну океанов, содержат в себе множество специальных усилителей на основе оптического стекла с примесью редкоземельных элементов, и именно эти усилители делают возможным просмотр видеороликов высокого разрешения с какого-нибудь калифорнийского сервера в кампусе МФТИ или в университете Пекина.

В новой публикации сообщается, что определенный класс сигналов можно передать так, что риск разрушить квантовую запутанность становится намного ниже. И затухание сигнала, и его усиление в таком случае не приведет к потере запутанности — для этого необходимо взять частицы в специально приготовленных негауссовых состояниях. На используемом физиками языке условие лучшего сохранения запутанности звучит как «волновая функция частиц в координатном представлении не должна иметь вид гауссова волнового пакета». При этом используется одно из базовых понятий квантовой механики, волновая функция, а также понятие гауссового распределения — важнейшей математической функции, применяющейся не только физиками, но и всеми специалистами по статистике, вплоть до социологов и экономистов

Квантовая механика отличается от классической тем, что в ней нет ни материальных точек, ни каких-либо тел с однозначно заданными границами. Каждый объект можно описать при помощи волновой функции — каждой точке пространства в каждый момент времени соответствует некоторое комплексное число. Если это число возвести в квадрат*, то получится вероятность обнаружить объект в данной точке. Для получения информации об импульсе, энергии или еще какой-либо физической величине ту же волновую нужно подвергнуть действию так называемого оператора.

*) на самом деле, так как амплитуда выражается комплексным числом, надо умножать на комплексно сопряженное значение. Деталь опущена в расчете на незнакомых с комплексными числами читателей.

Гауссово распределение — функция, которая в простейшем (без дополнительных коэффициентов) виде выглядит как e-x2. На графиках она предстает как колоколообразная кривая, и очень многие процессы в природе дают подобную функцию при математической обработке результатов наблюдений. Обычные фотоны, которые используются сейчас в большинстве экспериментов по квантовому запутыванию, тоже описываются гауссовой функцией: вероятность найти фотон в той или иной точке (это перевод оборота «в координатном представлении») сначала возрастает, а потом уменьшается по правилу колоколообразной гауссовой кривой. Сергей Филиппов пояснил пресс-службе МФТИ, что в таком случае «переслать запутанность далеко не получится, даже если сигнал очень мощный».

Использование фотонов, волновая функция которых имеет иную 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.

Пресс-служба выражает признательность Сергею Филиппову за неоценимую помощь при подготовке материала.

mipt.ru

Что такое квантовая сцепленность?

Квантовая запутанность (сцеплённость) состоит в том, что две запутанные частицы после разнесения их в различные области пространства, сохраняют некое подобие информационной связи друг с другом. Производя измерение над одной частицей, мы в тот же момент, мгновенно определяем и состояние другой частицы, как бы далеко эти частицы друг от друга ни находились. С точки зрения формализма квантовой механики эти результаты безупречны, но здравому смыслу это строго противоречит, так как во время измерения эти две частицы уже не взаимодействуют и какие бы то ни были операции над первой частицей, это не могут повлиять на состояние второй частицы. 

Наиболее известным примером квантовой запутанности является так называемый парадокс ЭПР (Эйнштейн, Подольский и Розен) — два связанных фотона в процессе разделения (разлёта) сохраняют такое подобие информационной связи. При этом квантовое состояние одного фотона, например, поляризация может мгновенно передаваться на другой фотон, который при этом становится аналогом первого и наоборот. Рассмотрим фотон 1. Имея неопределённую поляризацию перед измерением, фотон 1 получает поляризацию, во время его измерения. Фотон 2, который не имел определённой поляризации, проектируется в состояние поляризации, параллельное результату измерения на фотоне 1. Это очень удивительно, потому что это изменение в описании фотона 2 происходит мгновенно, безотносительно расстояния между фотонами в момент первого измерения. Эта картина, получившая название "нелокальность", находится в противоречии с СТО, хотя и передача реальной информации от одного фотона к другому отсутствует. Поэтому передаваемую (условную) информацию между ЭПР-частицами называют иногда "квантовой информацией".

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.

Квантовая запутанность — состояние неразрывной целостности. Запутанное состояние — это состояние составной системы, которую нельзя разделить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части. Оно является несепарабельным (неразделимым) и это свойство уже интенсивно применяется в квантово-криптографических системах, где основным рабочим ресурсом являются запутанные состояния фотонов, позволяющие обеспечить абсолютную защиту информации от постороннего доступа. Связь между запутанными фотонами не просто "сверхсветовая", а именно бесконечная, мгновенная, но в данном случае она используется не для передачи информации, а для контроля безопасности канала связи — при доступе к передаваемой информации "со стороны" когерентность фотонов (квантовая запутанность) тут же нарушается. О применении квантовой запутанности для передачи и обработки данных в вычислительных устройствах (квантовый компьютер) можете прочитать здесь ru.wikipedia.org. 

P.S. Если вы прочитали весь текст, и не поняли, не расстраивайтесь. Это значит что со здравым смыслом у вас все ОК. 

thequestion.ru

квантовая запутанность передача информации Видео

Квантовая Запутанность или Жуткое Воздействие на Расстоянии

3 г. назад

Наука и Техника Вконтакте: http://vk.com/science_technology Поддержите канал: http://www.patreon.com/AlexTranslations Яндекс 41001616074670 Ссылк..

Квантовая телепортация — Юджин Ползик

5 г. назад

Источник — http://postnauka.ru/video/19070 Какие основные вопросы возникают при решении проблемы квантовой телепортации...

КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ РЕАЛЬНО? Как это работает?

2 г. назад

ТЕЛЕПОРТАЦИЯ РЕАЛЬНО? Когда люди слышат словосочетание квантовая телепортация, то ключевым словом для...

Первая в мире квантовая телепортация на орбиту Земли

1 г. назад

4 июля 2017 года группа китайских учёных во главе с руководителем Цзянь-Вэй Пань (Jian-Wei Pan) из университета Шанх...

Телепортация по-китайски: из Пекина в Вену

3 г. назад

Китай поставил перед собой амбициозную задачу. Уже этим летом ученые собираются провести квантовую телепо...

БЫСТРЕЕ СКОРОСТИ СВЕТА | КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА | ТЕЛЕПОРТАЦИЯ

2 г. назад

Группа: https://vk.com/goodman_team Инстаграм: https://www.instagram.com/bad_goodman/

Квантовая телепортация (рассказывает физик Евгений Смирнов)

2 г. назад

Квантовая телепортация — передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в простран...

Квантовая запутанность, суперпозиция и телепортация / Просто о сложном

1 г. назад

Парадоксы квантовой физики. Квантовая запутанность, суперпозиция и телепортация. Просто о сложном #квант...

Вся правда о телепортации

3 г. назад

Возможно ли мгновенное перемещение в пространстве?Каким образом теория относительности поможет в телепор...

Квантовая Магия Системы ДНК Человека :: Пётр Гаряев

4 г. назад

См. также - реферат «Киборги и Человек» - http://bio-lnter.net/files/cyborgsman.pdf Наш организм использует технологии телепор...

Физики провели обмен квантовой запутанности на расстоянии 100 километров

10 мес. назад

NP171014 004 Физики провели обмен квантовой запутанности на расстоянии 100 километров.

Способы передачи информации

3 г. назад

Творческий проект, в который включены основные сведения о способах передачи данных, устройствах, осуществл...

Квантовая запутанность. 10.12.2015

3 г. назад

В чем особенности квантового мира? Что такое квантовая запутанность?

Мы можем телепортироваться? Саджан Сейни #TED-Ed

8 мес. назад

Возможна если телепортация? Можно ли превратить бейсбол в нечто вроде радиоволн, путешествовать по зданиям...

Китай впервые в истории успешно осуществил квантовую передачу спутниковых данных [Age0+]

1 г. назад

Китайский спутник "Мо-цзы" впервые в истории осуществил успешную передачу данных при помощи квантовой крип...

Квантовая физика и сознание человека / Антропный принцип участия

7 мес. назад

Высший уровень развития человеческой психики, позволяющий познавать окружающую действительность, способн...

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ВИРТУАЛЬНОСТИ НАШЕГО МИРА

1 г. назад

ПОДПИШИСЬ НА НОВЫЕ ТОПЫ: http://bit.ly/FiveTop5 Паблик Вконтакте: http://vk.com/fivetop5 РЕКЛАМА: ...

3 КВАНТОВАЯ ЗАПУТАННОСТЬ

10 мес. назад

Все смотрите здесь: http://www.evangelie.ru/forum/t140226-2.html#post5318093.

1 мес. назад

Лектор: Пулат Таджимуратов, магистр теоретической физики,и базовый докторант Астрономического института...

Квантовая передача данных из Китая жесть

2 г. назад

Поддержи стрим: https://funding.webmoney.ru/d/provsio-novoe Поддержи стрим: http://www.donationalerts.ru/c/gtater Биткоинами: ...

turprikol.com

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.kz


Читайте также
  • Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
    Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
  • Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
    Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
  • Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
    Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
  • Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
    Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
  • Найден источник водородных газов для нашей Галактики
    Найден источник водородных газов для нашей Галактики