Содержание
Ученые телепортировали настоящий атом / Наука / Независимая газета
На прошлой неделе, 17 июня, журнал «Нейчур» опубликовал статьи сразу двух групп исследователей, работавших независимо друг от друга, где сообщалось, что ученые научились телепортировать атомы.
Нервных просят не удаляться. Речь идет, увы, совсем не о той телепортации, которой нас в течение многих десятилетий кормят фантасты и с помощью которой вы, войдя в одну будочку на Земле и нажав кнопочку, в тот же миг оказываетесь в такой же будочке, но уже на Марсе или вообще где-нибудь на Альдебаране. Пока законы физики это запрещают.
Речь в данном случае идет о давно известном квантовом эффекте, кстати, тоже весьма занятном. Его открыл или, точнее, придумал еще Альберт Эйнштейн, когда он в отчаянном споре с Нильсом Бором пытался доказать несостоятельность квантовой механики. Эйнштейн придумал квантовый эксперимент, приводящий, по его мнению, к совершеннейшему абсурду. Его суть в следующем: если две частицы квантово связаны (ну, скажем, родились в ходе одной ядерной реакции), то их совместное квантовое состояние – суммарная величина спинов и еще несколько менее известных квантовых характеристик – остается неизменным и в дальнейшем.
Поэтому, если у одной частицы почему-то вдруг квантовое состояние изменится, то оно тут же мгновенно изменится и у другой, причем независимо от расстояния между ними.
Нильс Бор эйнштейновский мысленный эксперимент переварил и глубокомысленно заметил в том смысле, что – а почему бы и нет? Никакие законы физики это не запрещают.
В течение нескольких десятилетий квантовая телепортация по Эйнштейну была не более чем занятным квантовым кунштючком. А потом, в 1997 году, в небольшом институте Инсбрука австрийский ученый Антон Зайлингер проверил реальность этого эффекта на двух фотонах.
Возможно, его работа так и осталась бы чем-то интересным только для узкого круга специалистов, но Зайлингер опубликовал ее в журнале «Нейчур», то есть в одном из самых знаменитых журналов мира, да к тому же назвал этот эффект «квантовой телепортацией» – что, естественно, привлекло внимание всех ученых, кто когда-либо увлекался фантастикой, а таких много. Больше того, абстрактный физический эффект к тому времени приобрел практическое значение.
Как оказалось, его можно использовать в криптографии, создавая принципиально недоступные для расшифровки системы связи, и, что еще более интересно, в квантовых компьютерах.
Сейчас о пользе квантовой телепортации для криптографии почему-то помалкивают (то ли надежды не сбылись, то ли они сбылись настолько, что о них лучше не упоминать в открытой печати), но квантовый компьютер – на коне. Возможно, именно поэтому почти незамеченным осталось сообщение 1998 года о том, что ученым удалось осуществить квантовую телепортацию атомного ядра, а нынешнее сообщение о телепортации атома возбудило буквально всех.
Сообщения о телепортации атома пришли из Инсбрука, правда, уже не от Зайлингера, а от группы из Инсбрукского университета, возглавляемой профессором Райнером Блатом, которая «научила» ион кальция передавать другому иону кальция, находящемуся на другом конце установки и воздействуя на него точно направленным лучом лазера, информацию о своем квантовом состоянии.
Вторая группа, из Национального института стандартов и технологий (Боулдер, США), используя совершенно иную методику, сделала то же самое с ионами бериллия.
Ну, казалось бы, какая разница – атомное ядро или атом? Атомное ядро – это атом, лишенный электронной оболочки, с точки зрения квантовой механики почти одно и то же, что атом. Но с точки зрения квантового компьютера разница оглушительная. Он работает не на ядрах, а именно что на атомах. Его процессор представляет собой группу атомов, квантово связанных между собой, и если все получится, то эти атомы, специальным образом настроенные, передавая друг другу информацию о своих квантовых состояниях, смогут производить вычисления со скоростью, по сравнению с которой скорость нынешних суперкомпьютеров покажется скоростью древнего абака.
Китайцы впервые в мире телепортировали фотоны с Земли на орбиту (1400 км) / Хабр
Много лет назад Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии».
Это действительно контринтуитивная концепция, которая на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Два объекта могут находиться друг от друга на большом расстоянии, но они сохраняют «связь» друг с другом через свои квантовые состояния. Разрушив состояние одного объекта (измерив его), мы тем самым узнаём состояние запутанного с ним объекта, на каком бы расстоянии тот ни находился. То есть квантовое состояние первого объекта в момент измерения как бы переходит ко второму объекту, это образно называют квантовой телепортацией.
Сейчас группа китайских физиков впервые в мире осуществила квантовую телепортацию объекта с Земли на орбиту. Результаты эксперимента с «жутким действием на расстоянии» опубликованы 4 июля 2017 года на сайте препринтов arXiv.org (arXiv:1707.00934).
Специально для этого эксперимента китайцы в прошлом году вывели на солнечно-синхронную орбиту научный спутник Micius. Каждый день он проходит над одной и той же точкой Земли в одно и то же время, что даёт возможность тщательно подготовить эксперимент и провести его в любое время в неизменных условиях, а также повторить при необходимости в тех же условиях.
Cпутник Micius оснащён высокочувствительным фотонным детектором и оборудованием для определения квантового состояния отдельных фотонов, отправленных с Земли.
Во время эксперимента квантовая телепортация осуществлялась с разной степенью надёжности (см. диаграмму) на расстоянии 500-1400 км от передатчика до спутника, что является новым мировым рекордом по дальности квантовой телепортации. Раньше такие эксперименты проводились только на Земле, а максимальное расстояние для проверки квантовой запутанности составляло около 100 км. В вакууме передача фотонов происходит более надёжно, они меньше реагируют с окружающими объектами и лучше сохраняют запутанность.
Станция Ngari с передатчиком для эксперимента была построена в горах Тибета на высоте более 4000 м. Станция генерировала запутанные пары фотонов со скоростью 4000 в секунду. Половина из них отправлялась на орбитальную станцию, и там проверялось, сохранилась ли квантовая спутанность после передачи. Вторая половина фотонов оставалась на Земле.
Для улучшения качества передачи исследователи разработали ряд инновационных техник и специальных приборов, в том числе компактный сверхъяркий источник мультифотонного запутывания, аппаратуру для уменьшения расхождения луча, высокоскоростную и высокоточную систему APT (acquiring, pointing, tracking).
Измерения показали, что часть фотонов по прибытии на спутник действительно сохранили запутанность со своими земными «напарниками». В частности, за 32 дня передачи из нескольких миллионов отправленных фотонов запутанными остались 911. Точность передачи составила 0,80±0,01, что заметно превышает классический лимит (см. диаграмму внизу).
Фотоны с одинаковыми квантовыми состояниями с физической точки зрения являются одинаковыми фотонами. Таким образом, можно констатировать, что учёные впервые в истории провели телепортацию объекта с поверхности Земли на орбиту. Ну а в практическом смысле это первый рабочий аплинк по надёжной передаче квантовой информации на очень большие расстояния — с Земли на спутник.
Авторы считают, что это важный шаг к созданию квантового интернета в глобальном масштабе.
Теоретически не существует максимального ограничения на расстояние для измерения запутанности, то есть квантовой телепортации. На практике же квантовое состояние фотонов очень хрупкое и разрушается в результате реакции с окружающей средой, поэтому очень важно разработать технологии надёжной передачи запутанных фотонов на большие расстояния.
Квантовая телепортация может найти применение в разных областях: «Телепортация на большие расстояния считается фундаментальным элементом в протоколах, таких как крупномасштабные квантовые сети и распределённые квантовые вычисления, — пишет группа китайских учёных в реферате к научной статье. — Для создания „квантового интернета” в глобальном масштабе требуется значительно расширить расстояние для передачи информации. Многообещающей технологией для этого является использование спутниковой платформы и спутникового канала связи, который может удобно связать две дистанционно удалённые точки на Земле с относительно небольшой потерей сигнала, потому что большую часть пути фотоны проходят в вакууме.
Другим странам теперь будет трудно побить рекорд Китая по дальности квантовой телепортации, потому что ни Евросоюз, ни США не планировали запускать спутники с фотодетекторами специально для такого эксперимента в космосе, а сохранить квантовую запутанность на Земле в оптоволокне длиной 1400 км невероятно трудно.
Как телепортировать квантовую информацию от одного атома к другому | NSF
Хотя их достижения еще не достигли уровня сложности транспортной комнаты космического корабля «Энтерпрайз», физики в последние годы научились полностью передавать идентичность одной частицы другой частице в отдельном месте — форма телепортации, созданная возможно по странным правилам квантовой механики.
Теперь исследователям впервые удалось телепортировать состояние атома на значительное расстояние к другому атому. Это важно, потому что атомы могут быть захвачены и удерживаться в одном и том же квантовом состоянии в течение значительных периодов времени, поэтому они могут служить единицами памяти для квантовой информации.
Таким образом, телепортация между атомами может быть важным компонентом квантовых компьютеров или систем квантовой связи.
С помощью квантовой телепортации переносится не настоящая частица, а информация о квантовом состоянии этой частицы — по сути, полная спецификация энергии и движения частицы, а также внутренние свойства, такие как ее заряд и вращение. Первые демонстрации телепортации передавали квантовое состояние от одного фотона к другому. Но поскольку фотоны, квантовые единицы света, представляют собой изменчивые существа, которых невозможно зафиксировать в одном месте, они неудобны для таких приложений, как квантовые вычисления, где целью является создание и управление квантовыми состояниями, чтобы их взаимодействия выполняли желаемое. расчет.
Гораздо более полезным в этом отношении было бы квантовое состояние атома — например, энергия и спин конкретного электрона — поскольку атомы могут удерживаться и поддерживаться в определенном состоянии в течение периода в секунду или более.
Некоторые недавние эксперименты продемонстрировали телепортацию между фотонами и атомами или между атомами на очень близком расстоянии, но Крис Монро из Университета Мэриленда и его коллеги теперь телепортируют атомные состояния на расстояние в один метр.
Чтобы увидеть, как работает этот пример телепортации, проще всего шаг за шагом пройти экспериментальную процедуру. Команда начинает с двух ионизированных атомов элемента иттербия, каждый из которых захвачен при сверхнизкой температуре в отдельных устройствах на расстоянии одного метра друг от друга. Направляя на ионы последовательность коротких лазерных импульсов, физики могут поместить их в так называемые состояния суперпозиции, в которых фактически каждый ион находится одновременно в двух различных состояниях ионизации. Эти два состояния разделяет небольшая разница в энергии.
Это смешанное состояние является «кубитом», основным элементом квантовых вычислений. В стандартных двоичных вычислениях бит должен быть либо 0, либо 1, но кубит может представлять обе возможности одновременно.
Логические операции над кубитами могут выполнять несколько вычислений одновременно.
Цель телепортации состоит в том, чтобы передать состояние одного из ионов, называемого А, другому, называемому В. Этого нельзя сделать путем непосредственного измерения А, потому что это вынудило бы его выйти из своего состояния. наложенного состояния в одно или другое из двух составных состояний — это означает, что измерение уничтожило бы любую возможность узнать, в какой суперпозиции оно находилось изначально. Поэтому требуется более тонкая операция.
Исследователи направляют очень короткие лазерные импульсы на ионы, мгновенно переводя их в более высокие энергетические состояния. Почти сразу же они снова падают, испуская каждый фотон. Эти фотоны также находятся в суперпозиции; они представляют собой смесь двух разных фотонов, соответствующих смешанному состоянию иона, из которого они произошли.
Затем два фотона попадают с разных направлений в светоделитель, устройство, похожее на полупосеребренное зеркало, которое отражает или пропускает свет с равной вероятностью.
Иногда из светоделителя выходят два фотона в разных направлениях.
Но значит ли это, что оба фотона прошли насквозь или оба отразились? Это невозможно узнать, а неспособность сказать, какой фотон пошел в какую сторону, представляет собой «запутывание» их состояний. Поскольку сами фотоны находятся в состояниях, отражающих состояния ионов, из которых они произошли, наложенные состояния ионов также должны быть запутанными.
Последним шагом к телепортации для исследователей является проведение операции над ионом А с использованием микроволн, которая раскрывает частичную информацию о его наложенном состоянии. Однако этой информации достаточно, чтобы ее можно было использовать для определения воздействия микроволн на ион B, который переводит его в исходное состояние A. Поскольку эта информация должна передаваться каким-то обычным способом, телепортация не нарушает никаких правил о невозможности связи со скоростью, превышающей скорость света. Однако для того, чтобы телепортация работала, важно также, чтобы два иона были запутаны странным квантовым образом, когда действие на один может иметь мгновенное влияние на другой.
В своих экспериментах Монро и его коллеги пытаются телепортировать состояния десятки тысяч раз в секунду. Но только около 5 раз из каждого миллиарда попыток они получают одновременный сигнал светоделителя, говорящий им, что они могут перейти к последнему шагу. В результате они достигают телепортации только примерно раз в 12 минут.
Этот низкий показатель, по словам Монро, в основном из-за сложности улавливания фотонов от ионов и отправки их в светоделитель, а также потому, что детекторы не срабатывают на каждом фотоне, попадающем на их пути. Если бы они могли увеличить количество попаданий хотя бы до одной из десяти тысяч попыток, эта техника была бы потенциально полезной, добавляет Монро. Это связано с тем, что время телепортации будет короче, чем продемонстрированное время жизни кубита, составляющее две секунды или более для захваченных ионов, что позволит формировать квантовые связи в гораздо более широких сетях, содержащих гораздо больше кубитов.
Первая телепортация между далекими атомами
Ученые впервые успешно телепортировали информацию между двумя отдельными атомами в несоединенных пространствах на расстоянии метра друг от друга — важная веха в глобальном поиске практической квантовой обработки информации.
Телепортация может быть самой загадочной формой транспорта в природе: квантовая информация, такая как вращение частицы или поляризация фотона, передается из одного места в другое, но без прохождения через какую-либо физическую среду. Раньше это достигалось между фотонами на очень больших расстояниях, между фотонами и ансамблями атомов и между двумя соседними атомами через посредническое действие третьего. Однако ни один из них не обеспечивает реальных средств хранения и управления квантовой информацией на больших расстояниях.
Теперь команде из Объединенного квантового института (JQI) Университета Мэриленда (UMD) и Университета Мичигана удалось телепортировать квантовое состояние напрямую от одного атома к другому на значительное расстояние (см. справочную публикацию). Эта возможность необходима для работоспособных квантовых информационных систем, потому что им потребуется память как на отправляющей, так и на принимающей сторонах передачи. В выпуске журнала Science от 23 января ученые сообщают, что, используя их протокол, информация, телепортируемая от атома к атому, может быть восстановлена с идеальной точностью примерно за 9 секунд.
0% времени — и этот показатель можно улучшить.
«Наша система может стать основой для крупномасштабного «квантового ретранслятора», который может объединять квантовую память на огромные расстояния», — говорит руководитель группы Кристофер Монро из JQI и UMD. «Более того, наши методы можно использовать в сочетании с операциями с квантовыми битами для создания ключевого компонента, необходимого для квантовых вычислений». Квантовый компьютер может выполнять определенные задачи, такие как вычисления, связанные с шифрованием, и поиск в гигантских базах данных, значительно быстрее, чем обычные машины. Попытки разработать работающую модель вызывают большой интерес во всем мире.
Телепортация работает благодаря замечательному квантовому явлению, называемому запутанностью, которое происходит только на атомном и субатомном уровне. Когда два объекта запутываются, их свойства неразрывно переплетаются. Хотя эти свойства по своей сути неизвестны до тех пор, пока не будет произведено измерение, измерение одного из объектов мгновенно определяет характеристики другого, независимо от того, насколько они удалены друг от друга.
Команда JQI решила запутать квантовые состояния двух отдельных ионов иттербия, чтобы информация, заключенная в состоянии одного, могла быть телепортирована в другой. Каждый ион был изолирован в отдельной высоковакуумной ловушке, подвешенной в невидимой клетке электромагнитных полей и окруженной металлическими электродами. [См. иллюстрацию выше.] Исследователи идентифицировали два легко различимых основных (с самой низкой энергией) состояния ионов, которые могли бы служить альтернативными «битовыми» значениями атомного квантового бита или кубита.
Обычные электронные биты (сокращение от двоичных цифр), такие как биты в персональном компьютере, всегда находятся в одном из двух состояний: выключено или включено, 0 или 1, высокое или низкое напряжение и т. д. Квантовые биты, однако, может находиться в некоторой комбинации, называемой «суперпозицией», обоих состояний одновременно, подобно монете, которая одновременно является орлом и решкой — до тех пор, пока не будет произведено измерение.
Именно это явление придает квантовым вычислениям их необычайную мощь.
В начале экспериментального процесса каждый ион (обозначенный A и B) инициализируется в заданном основном состоянии. Затем ион А облучается специально подобранным микроволновым импульсом от одного из его электродов клетки, помещая ион в желаемое состояние суперпозиции двух кубитов — фактически «записывая» в «память» информацию, которую нужно телепортировать.
Сразу после этого оба иона возбуждаются пикосекундным (одна триллионная доля секунды) лазерным импульсом. Длительность импульса настолько мала, что каждый ион испускает только один фотон, поскольку он теряет энергию, полученную лазером, и возвращается в одно или другое из двух основных состояний кубита.
В зависимости от того, в какой из них он попадает, ион излучает один из двух видов фотонов с немного разными длинами волн (обозначенными красным и синим), которые соответствуют двум состояниям атомных кубитов. Именно отношения между этими фотонами в конечном итоге дадут контрольный сигнал о том, что произошло запутывание.
Каждый испускаемый фотон улавливается линзой, направляется на отдельную жилу оптоволоконного кабеля и переносится на светоделитель 50-50, где вероятность того, что фотон пройдет прямо через светоделитель или отразится, одинакова. По обе стороны от светоделителя расположены детекторы, которые могут регистрировать прибытие одного фотона.
Прежде чем попасть в светоделитель, каждый фотон находится в непознаваемой суперпозиции состояний. Однако после встречи с светоделителем каждый из них приобретает определенные характеристики. В результате для каждой пары фотонов возможны четыре цветовые комбинации — сине-синяя, красно-красная, сине-красная и красно-синяя — а также одна из двух поляризаций: горизонтальная или вертикальная. Почти во всех этих вариантах фотоны либо компенсируют друг друга, либо оба попадают в один и тот же детектор. Но есть одна — и только одна — комбинация, при которой оба детектора зарегистрируют фотон точно в одно и то же время.
В этом случае, однако, физически невозможно сказать, какой ион произвел какой фотон, потому что нельзя знать, прошел ли фотон, достигший детектора, через светоделитель или отразился от него.
Благодаря своеобразным законам квантовой механики эта присущая им неопределенность переводит ионы в запутанное состояние. То есть каждый ион находится в суперпозиции двух возможных состояний кубита. Одновременное обнаружение фотонов на детекторах происходит нечасто, поэтому процесс лазерного воздействия и излучения фотонов приходится повторять много тысяч раз в секунду. Но когда в каждом детекторе появляется фотон, это недвусмысленный признак запутанности между ионами.
При обнаружении запутанного состояния ученые немедленно проводят измерение иона А. Действие измерения переводит его из суперпозиции в определенное состояние: одно из двух состояний кубита. Но поскольку состояние иона А необратимо связано с состоянием иона В, измерение также переводит В в комплементарное состояние. В зависимости от того, в каком состоянии находится ион A, исследователи теперь точно знают, какой тип микроволнового импульса нужно применить к иону B, чтобы восстановить точную информацию, которая была записана в ион A исходным микроволновым импульсом.
Это приводит к точной телепортации информации.
Что отличает этот результат от телепортации, так это то, что никакая информация, относящаяся к исходной памяти, фактически не передается между ионом A и ионом B. Информация исчезает, когда ион A измеряется, и появляется снова, когда микроволновый импульс воздействует на ион B.
«Один особенно привлекательным аспектом нашего метода является то, что он сочетает в себе уникальные преимущества как фотонов, так и атомов», — говорит Монро. «Фотоны идеально подходят для быстрой передачи информации на большие расстояния, тогда как атомы представляют собой ценную среду для долгоживущей квантовой памяти. Комбинация представляет собой привлекательную архитектуру для «квантового ретранслятора», который позволит передавать квантовую информацию на гораздо большие расстояния, чем это можно сделать только с помощью фотонов. Кроме того, телепортация квантовой информации таким образом может стать основой нового типа квантового интернета, который может превзойти любой обычный тип классической сети для определенных задач».