Ученые телепортировали информацию на 3 метра. Телепорт атома
Физики впервые телепортировали атом на метр
Специалисты из Объединённого института квантовой физики университета Мэриленда (Joint Quantum Institute) провели квантовую телепортацию иона иттербия на расстояние 1 метр.
Ранее аналогичный "трюк" с атомами удавалось проделать с расстоянием передачи лишь в несколько микрометров, а частицы находились в одной ловушке. Теперь же квантовая телепортация атомов между двумя разными ловушками знаменует важный шаг в этой области физики.Речь идёт, разумеется, о переправке квантового состояния иона, а не его самого непосредственно. Однако поскольку исходное квантовое состояние оригинального иона в ходе передачи разрушается, а квантовое состояние у иона-получателя становится в точности таким, каким оно было у первого атома, можно в некотором роде говорить о телепортации частицы. Ведь атом на месте отправителя (до начала опыта) и атом на месте получателя (по его окончании) в таком случае идентичны.
Группа исследователей заставила первый ион испускать фотоны, которые были квантово-механическим образом запутаны со своим родительским ионом. То же самое проделали и с ионом на стороне получателя. Поток фотонов от того и другого переправили по оптическому кабелю и также запутали (то есть связали их квантовые состояния). Тем самым была выполнена квантовая запутанность обоих ионов.
Далее физики измеряли состояние первого иона, при этом происходила редукция его волновой функции. Полученную информацию отправляли получателю, и она использовалась, чтобы выполнить над вторым атомом преобразования: волновая функция этого иона становилась такой, какой она была у первого иона до измерения.
Совсем упрощённо говоря, первый атом становился каким-то другим, а второй — "превращался" в первый.
Хотя ранее учёные не раз демонстрировали квантовую телепортацию фотонов с расстоянием передачи во много километров, для целых ионов выполнить такой опыт — намного тяжелее. Дело в том, что фотоны от ионов иттербия попадали в свои оптические кабели крайне редко — один раз на 100 миллионов штук. На практике это потребовало трёх недель круглосуточно работающей установки, за которой следили аспиранты, вылавливая нужные данные. Тем не менее результат оказался впечатляющим.
В перспективе, говорят физики, на этом принципе можно будет строить квантовые сети, используемые для передачи "невскрываемых" квантовых шифров или связи квантовых компьютеров между собой.
Детали же нового опыта можно найти в статье в журнале Science, а также в этом PDF-документе.
http://www.membrana.ru/lenta/?9027
teleportator.livejournal.com
Квантовые компьютеры и телепортация | Itera вики
Такие философские дискуссии могут показаться безнадежной софистикой, без малейшей возможности практического применения в нашем мире. Только вместо того, чтобы спорить о том, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы, квантовые физики, кажется, обсуждают то, в скольких местах одновременно может находиться электрон.
Однако это не праздные измышления ученых в башне из слоновой кости. Когда-нибудь эти идеи могут найти самое что ни на есть практическое применение — стать двигателем мировой экономики. Когда-нибудь богатство всех наций может оказаться зависимым от тонкостей проблемы кота Шрёдингера. К тому времени, возможно, наши компьютеры уже будут производить расчеты в параллельных вселенных. Сегодня почти вся компьютерная инфраструктура базируется на силиконовых транзисторах. Закон Мура, который гласит, что компьютерная мощность удваивается каждые полтора года, на данный момент верен потому, что мы можем всаживать в силиконовые чипы все меньшие и меньшие транзисторы при помощи ультрафиолетовых лучей. Хотя закон Мура продолжает потрясать технологический пейзаж, его действие не может длиться вечно. В самом современном чипе Пентиум используется слой в 20 атомов. В течение 15-20 лет ученые смогут задействовать слои, возможно, в 5 атомов. На таких неимоверно малых расстояниях нам придется уйти от Ньютона и руководствоваться принципами квантовой механики, где вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга.
В результате мы больше не будем знать, где находится электрон. Это означает, что будут происходить короткие замыкания в тот момент, когда электроны будут выскакивать из непроводников и полупроводников, вместо того чтобы оставаться внутри них.
Для примера, квантовый компьютер мог бы потрясти самое основание международной безопасности. Сегодня большие банки, транснациональные корпорации и индустриальные страны кодируют свои секретные данные при помощи сложных компьютерных алгоритмов. Многие секретные коды построены на разложении на множители огромных чисел. Современному компьютеру понадобились бы века для того, чтобы разложить на множители, скажем, стозначное число. Но для квантового компьютера такие вычисления не представляют никакой сложности, а потому при помощи квантового компьютера можно с легкостью взломать любые секретные коды в мире.
Чтобы представить себе, каким образом функционирует квантовый компьютер, давайте скажем, что мы выстроим в ряд несколько атомов, спины которых однонаправлены в магнитном поле. Затем мы просвечиваем ихлазером таким образом, что многие из спинов перевернутся в момент, когда лазерный луч отразится от атомов. Измерив отраженный свет лазера, мы записываем сложную математическую операцию — рассеивание света атомами. Если мы рассчитаем этот процесс, используя квантовую теорию, вслед за Фейнманом мы должны сложить все возможные положения атомов, вращающихся во всех возможных направлениях. Даже простой квантовый подсчет, для которого потребовались бы доли секунды, на обычном компьютере выполнить практически невозможно, вне зависимости от того, сколько времени для этого будет отведено.
В принципе, как подчеркнул Дэвид Дойч из Оксфорда, это означает, что, когда мы начнем пользоваться квантовыми компьютерами, нам придется складывать все возможные параллельные вселенные. Хотя мы не можем вступить в прямой контакт с этими другими вселенными, атомный компьютер мог бы их вычислить при помощи положений спинов в параллельных вселенных. (Хотя мы не когерентны с другими вселенными в нашей гостиной, атомы квантового компьютера по своей конструкции когерентно вибрируют в унисон.)
Хотя потенциал квантовых компьютеров поистине ошеломляет, на практике масштабы возникающих проблем столь же велики. В настоящий момент мировой рекорд по числу атомов, использующихся в квантовом компьютере, равен семи. В лучшем случае на этом квантовом компьютере мы можем умножить три на пять и получить пятнадцать, что вряд ли произведет большое впечатление. Чтобы квантовый компьютер стал сравним по мощности со стандартным современным лэптопом, необходимы сотни, а возможно, и миллионы атомов, вибрирующих когерентно. Поскольку столкновение даже с одной-единственной молекулой воздуха может стать причиной того, что атомы компьютера декогерируют, необходимы чрезвычайно стерильные условия для изоляции атомов от воздействия окружающей среды. (Чтобы сконструировать квантовый компьютер, по скорости превосходящий современные компьютеры, понадобятся тысячи, а то и миллионы атомов, а потому от реальных квантовых компьютеров нас отделяют, по меньшей мере, десятилетия.)
Квантовая телепортация
В конечном итоге может быть найдено практическое применение, на первый взгляд, бессмысленному обсуждению физиками параллельных квантовых вселенных: квантовая телепортация. «Транспортер», использовавшийся для перевозки людей и оборудования в «Стар Треке» и других научно-фантастических программах, кажется чудесным средством, позволяющим преодолеть огромные расстояния. Но как ни маняще звучит эта идея телепортации, физиков она приводит в замешательство, поскольку, кажется, противоречит принципу неопределенности. Проводя измерение атома, вы нарушаете его состояние, а потому точная копия создана быть не может.
Но ученые обнаружили брешь в этом аргументе в 1993 году с помощью так называемой квантовой сцепленности. Она основана на старом эксперименте, предложенном в 1935 году Эйнштейном и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном (так называемый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, или ЭПР-парадокс) для того, чтобы продемонстрировать, насколько в действительности безумна квантовая теория. Допустим, произошел взрыв и два электрона разлетаются в противоположных направлениях с околосветовой скоростью. Поскольку электрон может крутиться как волчок, допустим, что их спины связаны — то есть если ось спина одного электрона направлена вверх, то ось спина второго направлена вниз (таким образом, что общий спин равен нулю). Однако до того, как мы совершаем измерение, мы еще не знаем, в каком направлении вертится каждый электрон.
Теперь подождем несколько лет. К этому времени два электрона будут находиться на расстоянии многих световых лет друг от друга. Если теперь мы измерим спин одного электрона и обнаружим, что его ось направлена вверх, мы тут же поймем, что ось спина второго направлена вниз (и наоборот). В сущности, тот факт, что один электрон вращается вверх, заставляет второй электрон вращаться вниз. Это означает, что теперь мы узнаем нечто об электроне, находящемся на расстоянии многих световых лет, мгновенно. (Полное впечатление, что информация путешествовала со скоростью, превышающей скорость света, а это явное нарушение специальной теории относительности Эйнштейна.) При помощи тщательно построенного доказательства Эйнштейну удалось показать, что, совершая последовательные измерения одной пары электронов, можно нарушить принцип неопределенности. Что более важно, он показал, что квантовая механика еще более причудлива, чем кто-либо мог до этого себе представить.
Вплоть до того самого момента физики считали, что Вселенная была локальной, что возмущения в одной части Вселенной распространялись от источника лишь локально. Эйнштейн показал, что квантовая механика по своей сути нелокальна — возмущения из одного источника могут мгновенно влиять на далекие уголки
Вселенной. Эйнштейн назвал это «призрачным действием на расстоянии», которое посчитал абсурдным. Таким образом, Эйнштейн уверял, что квантовая теория неверна.
(Критики квантовой механики считали, что парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена разрешим при таком допущении: если бы наши инструменты были достаточно чувствительны, то они действительно смогли бы определить, в каком направлении вращаются электроны. Значит, кажущаяся неопределенность в спине и положении электрона — просто фикция, результат того, что наши инструменты слишком грубы. Они ввели концепцию скрытых переменных, — то есть должна существовать скрытая субквантовая теория, в которой неопределенности не существует вообще, и в основе этой теории лежат новые, так называемые скрытые переменные.)
Ставки неимоверно возросли в 1964 году, когда физик Джон Белл подверг ЭПР-парадокс и скрытые переменные суровому испытанию. Он показал, что при проведении эксперимента ЭПР должно существовать численное соответствие между спинами двух электронов, зависящее от того, какая теория использовалась. Если теория скрытых переменных была верна, то спины должны были иметь одно соотношение. Если была правильна квантовая механика, то соотношение спинов должно было быть иным. Иными словами, судьба всей квантовой механики (основы всей современной атомной физики) зависела бы от одного-единственного эксперимента.
Но эксперименты окончательно доказали, что Эйнштейн ошибался. В начале 1980-х годов Алан Эспект и его коллеги во Франции поставили эксперимент ЭПР. В эксперименте использовались два детектора, расположенные на расстоянии 13 метров, которые измеряли спины фотонов, испускаемых атомами кальция. В 1997 году эксперимент ЭПР был поставлен с детекторами, расположенными на расстоянии в 11 километров. В обоих случаях победила квантовая теория. Определенная форма знания действительно перемещается быстрее света. (Хотя Эйнштейн ошибался насчет эксперимента ЭПР, он был прав в вопросе более существенного масштаба — о сообщении, проходящем быстрее света. Хоть эксперимент ЭПР и позволяет узнать что-либо о другой стороне галактики, о*н не позволяет таким способом посылать сообщения. К примеру, вы не можете таким образом отсылать азбуку Морзе. В сущности, «передатчик ЭПР» отсылал бы только беспорядочные сигналы, поскольку измеряемые спины будут другими каждый раз, как вы их измеряете. Эксперимент ЭПР позволяет вам получить информацию о другой стороне галактики, но он не позволяет вам передавать полезную, не беспорядочную информацию.)
Белл для описания этого эффекта приводил пример математика по имени Бертельсман. У того была необычная привычка каждый день надевать на одну ногу синий носок, а на другую — зеленый, в случайном порядке. Если вы замечаете, что на левой ноге у него синий носок, то вы сразу же, быстрее света, получаете информацию о том, что другой его носок — зеленый. Но это знание отнюдь не позволяет вам таким же образом сообщать информацию. Обнаружение информации отличается от ее пересылки. Эксперимент ЭПР не означает, что мы можем сообщать информацию путем телепатии, путешествий быстрее света или путешествий во времени. Но он все же означает, что для нас невозможно полностью отрешиться от единства вселенной.
В 1993 году ученые предложили использовать концепцию ЭПРсцепленности для создания устройства, с помощью которого можно совершать квантовую телепортацию. В 1997 и 1998 годах ученые из Калифорнийского технологического института, Университета Аарус в Дании и Университета Уэльса совершили первую экспериментальную демонстрацию квантовой телепортации. В ходе эксперимента отдельный фотон был телепортирован через стол. Сэмюэл Браунштайн, принимавший участие в организации эксперимента, сравнил сцепленные пары слюбовниками, «которые знают друг друга настолько хорошо, что могут ответить за свою вторую половину, даже если их разделяют огромные расстояния».
(Для экспериментов в области квантовой телепортации необходимы три объекта — А, В и С. Пусть В и С — сцепленные близнецы. Хоть они и могут находиться на огромном расстоянии друг от друга, они все же остаются сцепленными. Пусть теперь В вступит в контакт с А, который собственно является объектом телепортации. В « сканирует» А, и информация, содержащаяся в А, переносится в В. Затем эта информация автоматически передается близнецу С. Таким образом, С превращается в точную копию А.)
В области исследований квантовой телепортации наблюдается большой прогресс. В 2003 году ученым Женевского университета в Швейцарии удалось телепортировать фотоны на расстояние в 2 км через оптоволоконный кабель. Фотоны света (при длине волны 1,3 мм) в одной лаборатории были телепортированы в другие фотоны с другой длиной волны (1,55 мм) в другую лабораторию, связанную с первой оптоволоконным кабелем. Николас Гизин, физик, принимавший участие в этом проекте, сказал: «Возможно, объекты больших размеров, такие, как молекула, и будут телепортированы до моей смерти, но по-настоящему большие объекты не поддаются телепортации при использовании обозримых технологий».
Еще один важный прорыв был совершен в 2004 году, когда ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) телепортировали не просто квант света, а целый атом. Их основным достижением стало то, что они успешно запутали 3 атома бериллия и смогли перенести характеристики одного атома в другой.
Область практического применения квантовой телепортации потенциально невероятно велика. Однако необходимо отметить, что существует несколько проблем практического характера, препятствующих ее применению. Во-первых, объект-оригинал уничтожается в ходе телепортации, а потому нельзя создать много точных копий телепортируемого объекта. Возможно создание только одной копии. Во-вторых, телепортировать объект быстрее света нельзя. Теория относительности действует даже для квантовой телепортации. (Чтобы телепортировать объект А в объект С, для их соединения все же необходим объект-посредник В, а его скорость меньше скорости света.) В-третьих, возможно, наиболее важным ограничением для квантовой телепортации выступает тот же фактор, который служит препятствием для создания квантовых компьютеров: рассматриваемые объекты должны быть когерентны. Любое соприкосновение с окружающей средой прервет процесс телепортации. Но вполне вероятно, что в течение XXI века удастся телепортировать первый вирус.
При телепортации человеческого существа мы можем столкнуться с другими проблемами. Браунштайн замечает: «На данный момент ключевым является исключительно количество вовлеченной информации. Даже если мы будем использовать самые лучшие каналы связи, какие только можем себе представить, для передачи всей этой информации нам понадобится время, сравнимое с возрастом нашей Вселенной».
Волновая функция Вселенной
Но, возможно, полное осознание квантовой теории произойдет, если мы применим квантовую механику не к отдельному фотону, а к целой Вселенной. Стивен Хокинг даже пошутил, что каждый раз, как он слышит о проблеме кота, он тянется за ружьем. Он предложил свое решение проблемы — существование волновой функции Вселенной. Если вся Вселенная является частью волновой функции, то отпадает надобность в существовании наблюдателя (который должен находиться за пределами Вселенной).
В квантовой теории каждая частица связана с волной. Эта волна, в свою очередь, дает информацию о вероятности обнаружения частицы в любой точке. Однако, когда Вселенная была еще очень молода, она была меньше субатомной частицы. Тогда, возможно у самой Вселенной тоже есть волновая функция. Поскольку электрон может существовать во многих состояниях одновременно и поскольку Вселенная была по размерам меньше электрона, то, возможно, Вселенная также существовала одновременно во многих состояниях, что и описывала сверхволновая функция.
Это вариация теории многих миров: не нужно вводить космического наблюдателя, который может мгновенно охватить взглядом всю Вселенную. Но волновая функция Хокинга значительно отличается от волновой функции Шрёдингера. В волновой функции Шрёдингера в каждой точке пространства-времени существует волновая функция. Вместо \(/-функции Шрёдингера, которая описывает все возможные состояния электрона, Хокинг вводит такую у-функцию, которая представляет все возможные состояния Вселенной. В обычной квантовой механике электрон существует в обычном пространстве. Однако в волновой функции Вселенной эта волновая функция существует в «сверхпространстве», пространстве всех возможных вселенных, введенном Уилером.
Эта главная волновая функция (родительница всех волновых функций) подчиняется не уравнению Шрёдингера (которое работает только для одиночных электронов), а уравнению Уилера — де Витта, которое применимо для всех возможных вселенных. В начале 1990-х годов Хокинг написал, что он смог частично разрешить волновую функцию Вселенной и показать, что наиболее вероятной вселенной была та, где космологическая константа стремилась к нулю. Эта работа вызвала некоторые споры, поскольку она опиралась на суммирование всех возможных вселенных. Хокинг представил эту сумму, включив в нее червоточины-порталы, соединяющие нашу Вселенную со всеми возможными вселенными. (Представьте себе бесконечный океан мыльных пузырей, парящих в воздухе и соединенных тонкими нитями или порталами-червоточинами, а потом сложите их все вместе.)
В конечном счете возникли сомнения по поводу претенциозного метода Хокинга. Было замечено, что сумма всех возможных вселенных математически недостоверна, во всяком случае до тех пор, пока у нас нет «теории всего», которой мы могли бы руководствоваться.
Критики считают, что до тех пор, пока не создана теория всего, нельзя полагаться ни на какие вычисления, касающиеся машин времени, червоточин-порталов, момента Большого Взрыва и волновых функций Вселенной.
Однако сегодня множество физиков верит в то, что мы наконец нашли теорию всего, хотя она еще не обрела своей конечной формы: это теория суперструн, или М-теория. Даст ли она нам возможность «узреть замысел Господень», как считал Эйнштейн?
ru.itera.wikia.com
Ученые телепортировали информацию на 3 метра
Наука Перемещение человека сквозь пространство может однажды стать реальностью, утверждают ученые. Они впервые смогли переместить атом на 3 метра с точностью 100 процентов.
Ничего в законах физики не мешает телепортации крупных объектов, добавили исследователи.
"Если мы считаем, что представляем собой набор атомов, связанных друг с другом определенным образом, то в принципе телепортация нас из одного места в другое, возможна", - рассказал профессор Хансон из Технологического университета Дефта в Нидерландах.
Хотя ученые утверждают, что на практике это маловероятно, нельзя сказать, что этого никогда не произойдет, так как не существует фундаментального закона физики, предотвращающего это. Но если это случится, то, скорее всего, будет в далеком будущем.
Квантовая телепортация
Профессор Хансон и его команда продемонстрировала, что возможно телепортировать информацию, закодированную в субатомные частицы между двумя точками, находящимися на расстоянии 3 метров друг от друга.
Эта демонстрация станет первым шагом на пути разработки сети наподобие Интернета между очень быстрыми квантовыми компьютерами, чья вычислительная мощность намного выше, чем у сегодняшних суперкомпьютеров.
Читайте также: Научная фантастика, ставшая реальностью
Для начала следует разобраться в этой идее. Правила субатомного мира отличаются от правил нашего видимого невооруженным взглядом мира. Частица может быть в разных местах одновременно и может исчезнуть с одной стороны препятствия и появится с другой, не проходя сквозь него. Все это относится к квантовой теории, являющейся самой удачной моделью объяснения нашего мира.
Квантовый компьютер
Многие ученые сейчас работают над разработкой квантовой технологии, которая опирается на "аномальных свойствах" очень маленьких частиц, составляющих наш мир. Разработка квантового компьютера могла бы помочь решать задачи, непосильные современным компьютерам. Вместо стандартных битов, которые используются в компьютерах сейчас, там будут квантовые биты или кубиты.
Во время эксперимента три запутанных частицы атома азота в алмазе и два электрона были использованы, чтобы передать спиновую информацию на расстоянии трех метров. Были переданы четыре возможных состояния, каждый из которых соответствовал "кубиту" – квантовому эквиваленту цифрового бита.
Каждый бит информации соответствует "0" или "1", а кубит может представлять "0", "1" или "суперпозицию" обоих состояний одновременно.
Возможно, когда-нибудь в будущем квантовый интернет, построенный на этих принципах, можно будет использовать для передачи данных на расстоянии световых лет.
Перевод: Филипенко Л. В.
www.infoniac.ru
