Содержание
Квантовая телепортация — уже реальность. А когда удастся телепортировать человека?
Без телепортации не обходится почти никакая sci-fi вселенная. В реальности ученые реализовали только квантовую телепортацию — ее первооткрыватели в 2022 году получили Нобелевскую премию по физике. Объясняем, почему ее принцип нельзя применить к макромиру и почему шансов создать телепорт в духе Star Trek очень мало
Если подыскивать фантастический аналог, квантовая телепортация похожа скорее на телепатию. Другими словами, речь идет о мгновенной передаче информации между носителями, а не о перемещении самих носителей. Но только передаются при этом не слова, мысли или образы, а состояния.
Представим, что в фантастической версии нашего мира рождаются дети, между которыми есть таинственная связь. Если разбудить одного, другой тут же откроет глаза — и если при этом зрачки одного всегда смотрят вверх, то зрачки другого будут смотреть вниз (и наоборот). Но знать заранее, куда смотрят их зрачки, мы не можем, пока не разбудим их.
Важный момент — такой фокус можно проделать лишь один раз.
Физики сказали бы, что дети находятся в состоянии квантовой запутанности. Было бы неточным говорить, что они обмениваются информацией. Просто если кто-то воздействует на одного, то реагируют оба. И это работает на любом расстоянии. А телепортация — это способ мгновенно передать состояние одного ребенка другому.
В случае квантовых частиц мы воздействуем на них — например измеряем спин (момент импульса) и всегда получаем противоположные состояния. Например, спин одной частицы будет направлен вверх, а другой — вниз. С помощью манипуляций с запутанностью можно мгновенно переносить состояние одной частицы на другую. При этом «рецепиент» и «донор» могут находиться хоть на разных концах галактики.
Сейчас мы только начинаем понимать, как использовать это явление. Многие ученые надеются, что она обеспечит более быстрый обмен данными и поможет разработать надежные системы шифрования. Ведь перехватить пересылаемую таким образом информацию почти невозможно — стороннее воздействие на частицу необратимо изменит ее «целевое» состояние и выдаст злоумышленника.
За квантовой телепортацией стоит физический процесс, который инженеры пытаются приспособить для нужд человека. Но идея телепортации объектов макромира не опирается ни на какой из известных законов. Например, мы не можем мгновенно «сообщать» количество протонов и нейтронов одного атома другому (скажем, чтобы сделать из обычной воды «тяжелую»).
Теоретически, чтобы телепортировать объект, его пришлось бы оцифровать, то есть преобразовать в данные для передачи, а затем перевести обратно в материю с помощью какого-нибудь универсального 3D-принтера. Пока эти технологии слишком фантастичны, но в теории могли бы однажды появиться. Но в обоих случаях мы сталкиваемся с другими проблемами.
Потребуется сканер, который может регистрировать положение каждого атома с точностью порядка размера атома водорода. Специалисты из Лестерского университета подсчитали, что оцифрованные данные всех клеток человеческого тела составили бы астрономический объем — 2,6×10 в 42-й степени бит. По техническим стандартам 2013 года (время публикации статьи) передача данных заняла бы до 4,85×10 в 15-й степени лет, что намного больше, чем возраст Вселенной.
Но остается еще один вопрос — будет ли цифровой двойник предмета или человека идентичным ему самому? Например, удастся ли целиком передать все нюансы молекулярного строения скрипки Страдивари? А как быть с сознанием и другими сложными процессами, природу которых мы даже не понимаем? Очевидно, что, пока люди не изучат в совершенстве строение физических объектов и не изобретут способ картировать их, ни о какой телепортации не может быть и речи.
В этом случае речь идет не о переносе тела в заданное место, а о поиске более короткого пути между точками во Вселенной. Те, кто смотрел фильм «Интерстеллар», наверняка помнят аналогию со сложенной бумагой. Если на листе бумаги есть две удаленные точки, то лучшим способом попасть из одной точки в другую будет не «шагать» по листу, а сложить лист точка к точке и «перескочить». Только как, если мы имеем дело с материей Вселенной?
На этот вопрос полушутя попытался ответить знаменитый физик Кип Торн в книге «Интерстеллар. Наука за кадром».
Такие туннели через ткань Вселенной, как ни странно, теоретически возможны — согласно общей теории относительности Эйнштейна. Но это коварное свойство уравнений Эйнштейна: они допускают много странных и причудливых вещей (например, черные дыры), но существуют они во Вселенной или нет, мы не знаем. И можем даже не узнать.
По мнению Торна, такие «кротовые норы», если бы они возникали, были бы очень короткоживущими (мельчайшие доли секунды). «Протащить» через них что-то мы бы точно не успели. Удержать «нору» в стабильном состоянии могла бы отрицательная энергия, но физикам пока удалось получить ее только в лабораторных условиях и в небольших количествах.
Если говорить упрощенно, то один участок пространства забирает у другого участка порцию энергии, создавая дефицит. «Так это работает в физике, — объясняет Торн, — но у нас есть большая, хотя и не 100-процентная уверенность в том, что получить достаточно отрицательной энергии, чтобы удержать стенки «кротовой норы» от схлопывания, нам никогда не удастся».
Впрочем, «маловероятно» — не значит невозможно, напоминает Торн. Когда-то и физическая основа квантовой телепортации казалась невероятной самому Эйнштейну. Он так до конца жизни и не принял идею, что в квантовом мире информация может передаваться мгновенно. Тем не менее сегодня этот эффект наука пытается поставить под контроль. Возможно, когда-нибудь мы откроем «кротовые норы». И даже сможем их «обжить».
Антон Солдатов
ТАСС получил премию «За верность науке» в трех номинациях
В частности, агентству присуждена награда в номинации «Специальный приз имени Даниила Гранина»
Читать полностью
Ученые впервые успешно провели новый эксперимент по квантовой телепортации
https://ria.ru/20190827/1557961750.html
Ученые впервые успешно провели новый эксперимент по квантовой телепортации
Ученые впервые успешно провели новый эксперимент по квантовой телепортации — РИА Новости, 27.08.2019
Ученые впервые успешно провели новый эксперимент по квантовой телепортации
Группа исследователей из Китая и Австрии телепортировала трехуровневые квантовые состояния, также известные как кутриты.
Результаты исследования опубликованы в… РИА Новости, 27.08.2019
2019-08-27T18:43
2019-08-27T18:43
2019-08-27T22:10
наука
австрия
китай
открытия — риа наука
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/70996/90/709969008_0:96:1024:672_1920x0_80_0_0_a28a146cbda0e41b8ef6786b639794d7.jpg
МОСКВА, 27 авг — РИА Новости. Группа исследователей из Китая и Австрии телепортировала трехуровневые квантовые состояния, также известные как кутриты. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.Ученым впервые удалось успешно провести подобный эксперимент. Физики смогли доказать, что у кутритов есть уникальная возможность существовать сразу в нескольких состояниях.До сих пор ученым удавалось телепортировать только кубиты — двойные квантовые биты информации. Стандартный бит, рассматриваемый в основном в вычислительных науках, обладает только значениями «ноль» или «один».
Кубит же имеет оба значения.Новый эксперимент доказал существование кутрита, который помимо значений «ноль» и «один» обладает значением «два». Кроме того, эти ячейки могут существовать сразу в трех состояниях.Квантовая телепортация представляет собой способность передать свойства одной частицы другой частице. Для этого нужно по одному или нескольким путям одновременно пройти фотону. Еще в девяностые годы ученые доказали теоретическую возможность многоуровневой квантовой телепортации. Квантовые ячейки закодированы в возможных путях, которые может пройти фотон.В представленном австрийскими и китайскими учеными исследовании фотон был одновременно расположен во всех трех оптоволокнах. Ядром квантовой телепортации является так называемое измерение Белла, которое основано на принципе работы многолучевого разветвителя световых частиц.Разветвитель направляет фотоны через несколько входов и выходов, соединяя вместе все оптоволокна.Исследователи также использовали вспомогательные фотоны, которые тоже отправлялись в многолучевой разветвитель и могли создавать помехи другим световым частицам.
Опыт показал, что квантовую информацию можно передавать от одной частицы другой на расстоянии без их физического взаимодействия. Кроме того, эта концепция не ограничена тремя состояниями, и теоретически она может распространяться на любое количество квантовых состояний.Открытие китайских и австрийских ученых позволит расширить возможности квантовых компьютеров. Благодаря многоуровневым квантовым системам можно будет передавать больше информации.
https://ria.ru/20190803/1557127001.html
https://ria.ru/20190731/1557056272.html
австрия
китай
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2019
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.
ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/70996/90/709969008_0:0:1024:768_1920x0_80_0_0_854f1911e87ad980b7fda36675187773.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
австрия, китай, открытия — риа наука
Наука, Австрия, Китай, Открытия — РИА Наука
МОСКВА, 27 авг — РИА Новости.
Группа исследователей из Китая и Австрии телепортировала трехуровневые квантовые состояния, также известные как кутриты. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Ученым впервые удалось успешно провести подобный эксперимент. Физики смогли доказать, что у кутритов есть уникальная возможность существовать сразу в нескольких состояниях.
До сих пор ученым удавалось телепортировать только кубиты — двойные квантовые биты информации. Стандартный бит, рассматриваемый в основном в вычислительных науках, обладает только значениями «ноль» или «один». Кубит же имеет оба значения.
Новый эксперимент доказал существование кутрита, который помимо значений «ноль» и «один» обладает значением «два». Кроме того, эти ячейки могут существовать сразу в трех состояниях.
3 августа 2019, 06:00Наука
Сердце Вселенной: что объединяет квантовые компьютеры и черные дыры
Квантовая телепортация представляет собой способность передать свойства одной частицы другой частице.
Для этого нужно по одному или нескольким путям одновременно пройти фотону. Еще в девяностые годы ученые доказали теоретическую возможность многоуровневой квантовой телепортации. Квантовые ячейки закодированы в возможных путях, которые может пройти фотон.
В представленном австрийскими и китайскими учеными исследовании фотон был одновременно расположен во всех трех оптоволокнах. Ядром квантовой телепортации является так называемое измерение Белла, которое основано на принципе работы многолучевого разветвителя световых частиц.
Разветвитель направляет фотоны через несколько входов и выходов, соединяя вместе все оптоволокна.
Исследователи также использовали вспомогательные фотоны, которые тоже отправлялись в многолучевой разветвитель и могли создавать помехи другим световым частицам.
Опыт показал, что квантовую информацию можно передавать от одной частицы другой на расстоянии без их физического взаимодействия. Кроме того, эта концепция не ограничена тремя состояниями, и теоретически она может распространяться на любое количество квантовых состояний.
Открытие китайских и австрийских ученых позволит расширить возможности квантовых компьютеров. Благодаря многоуровневым квантовым системам можно будет передавать больше информации.
31 июля 2019, 20:00Наука
Физики раскрыли секреты «магического» сверхпроводящего графена
Квантовая телепортация распространяется за пределы соседних узлов — Physics World
Идет телепортация Исследователи QuTech в Нидерландах проводят эксперимент по квантовой телепортации. (Предоставлено QuTech)
Физики из Нидерландов впервые показали, что квантовая информация может надежно телепортироваться между сетевыми узлами, которые не связаны друг с другом напрямую. По словам исследователей, создавших первую в мире квантовую сеть с тремя узлами в QuTech (сотрудничество Делфтского технологического университета и TNO) в 2021 году, последняя работа знаменует собой еще один шаг на пути к масштабируемому квантовому Интернету.
Квантовые сети предлагают сверхзащищенный способ передачи информации между разными точками или узлами.
Хотя эти узлы могут быть соединены с помощью обычных оптических волокон, потери фотонов внутри волокон ограничивают качество или точность соединения: когда фотон теряется, его квантовая информация также теряется. Использование квантовой запутанности для телепортации информации напрямую с одного узла на другой устраняет этот механизм потерь, что делает его желательным для будущего квантового Интернета.
Сеть с тремя узлами, продемонстрированная на QuTech в 2021 году, использовала квантовые биты или кубиты, сделанные из центров азотных вакансий (NV), которые являются дефектами в алмазной решетке атомов углерода. Каждый узел содержал кубит связи, а один узел также включал кубит памяти (сделанный из соседнего атома углерода), который мог хранить квантовую информацию узла. Таким образом, строительные блоки для запутывания трех узлов уже присутствовали, но система была далека от надежной в телепортационных состояниях.
Квантовая телепортация
Первым шагом в телепортации квантовой информации от отправителя к получателю является установление запутанности между их соответствующими кубитами.
Выполнение так называемого измерения состояния Белла (BSM) на кубите-отправителе приводит к телепортации его квантового состояния — это означает, что он исчезает из узла-отправителя и появляется в зашифрованном виде в узле-получателе. Затем квантовое состояние можно расшифровать, используя результат BSM, который отправляется получателю по классическому каналу (например, по оптоволокну).
Раньше это делалось только с двумя соседними сетевыми точками, традиционно называемыми Алисой и Бобом. Добавление третьей точки, Чарли, — непростая задача, поскольку запутанность между Алисой и Чарли должна быть создана через Боба, промежуточного узла. Также требуется высокая точность, чтобы телепортация работала.
Этапы оптимизации
Чтобы добиться такой высокой точности, исследователи QuTech выполнили несколько обновлений. В их предыдущей системе «предвещающие» сигналы, указывающие на запутывание, исходили от тех же фотодетекторов, которые регистрировали фотоны, используемые для запутывания.
Это, однако, может привести к ложным предупреждающим сигналам из-за различных нежелательных процессов, генерирующих второй фотон. Чтобы избежать этого, команда настроила дополнительный путь обнаружения, который помечает ложные предвестники, ловя второй фотон.
Кубиты вблизи: центры азотных вакансий в образце алмаза используются в качестве кубитов в эксперименте по телепортации. (Предоставлено QuTech)
Еще одна проблема, которую решили решить исследователи, — это спектральная диффузия, из-за которой кубиты выходят из фазы, снижая точность передачи. Этот процесс оказывает большее влияние на фотоны, испускаемые в более позднее время, поэтому команда сократила окно обнаружения.
Последний набор улучшений касается памяти, используемой для хранения квантовой информации. Во-первых, команда защитила кубит памяти от взаимодействия с соседними ядерными спинами. Для этого они интегрировали импульс магнитного поля в запутывающую последовательность, которая переворачивает кубит памяти через заданные промежутки времени, тем самым усредняя эффекты этих нежелательных взаимодействий.
Они также улучшили свою способность читать кубит памяти. Поскольку одно из состояний кубита памяти имеет более благоприятную точность, его считывание не является симметричным. Повторяя процесс считывания, команда отфильтровала «плохие» показания, в конечном итоге повысив точность.
Поднимите меня по лучу
После этих улучшений исследователи смогли телепортировать квантовую информацию между несмежными узлами Чарли и Алисы. Во-первых, они перепутали кубит Алисы и Чарли через кубит Боба. Затем Чарли сохранил часть запутанного состояния в своем кубите памяти и подготовил квантовое состояние для телепортации. Применение BSM к Чарли телепортирует состояние к Алисе. Затем исследователи отправили результат BSM Алисе и получили состояние с точностью 71% — выше классической границы ⅔, доказав, что телепортация прошла успешно.
Рональд Хэнсон, исследователь QuTech, руководивший исследованием, говорит, что следующим шагом команды будет увеличение количества кубитов памяти, что позволит запускать более сложные протоколы.
Другая цель состоит в том, чтобы заставить технологию работать за пределами лабораторной среды, например, используя уже развернутые оптические волокна в реальной сети. «Мы также сотрудничаем с учеными-компьютерщиками для разработки стека управления квантовой сетью — аналогичного стека уровней управления, которые в настоящее время управляют Интернетом, который мы все используем сегодня», — говорит он.0029 Мир физики.
Хьюг де Ридматтен, исследователь ICFO в Барселоне, Испания, который не участвовал в исследовании, говорит, что квантовая телепортация через несоседние узлы является важной вехой. По его мнению, самым большим достижением команды было объединение нескольких сложных экспериментов, каждый из которых необходимо полностью оптимизировать для достижения требуемой точности квантовой телепортации, в одну демонстрацию. де Ридматтен отмечает, что текущая установка может использовать лишь небольшой процент испускаемых фотонов, что ограничивает скорость удаленной запутанности.
Однако он добавляет, что это можно исправить, встроив NV-центры в оптический резонатор для сбора большего количества фотонов или используя другие излучатели.
Подробнее
Дебют трехузловой квантовой сети
Родни Ван Метер из японского университета Кейо также хвалит эту работу, описывая ее как фундаментальное различие между простым каналом, соединяющим две стороны, и реальной сетью. Он отмечает, что одной из трудностей будет масштабирование до большого количества кубитов в каждом узле, но другие команды по всему миру работают над этой проблемой для кубитов NV-центра. Поскольку команда Делфта уже планирует увеличить количество узлов в своей сети, он, по его словам, «с нетерпением ждет, что они произведут дальше».
Исследование описано в Nature .
Телепортация уже здесь, но это не то, что мы ожидали
В 2005 году некролог физика Ашера Переса в журнале Physics Today сообщил нам, что, когда журналист спросил его, может ли квантовая телепортация переносить душу человека, а также его тело, ученый ответил: «Нет, не тело, а только душу».
Ответ Переса — это больше, чем просто шутка, он предлагает идеальное объяснение, закодированное в метафоре, реальности процесса, который мы видели бесчисленное количество раз в научной фантастике. На самом деле телепортация существует, хотя в реальном мире она сильно отличается от знаменитого «Подними меня, Скотти!» связанный с Серия Звездный путь .
Телепортация в реальной науке начала обретать форму в 1993 году благодаря теоретическому исследованию, опубликованному Пересом и пятью другими исследователями в Physical Review Letters , которое заложило основу для квантовой телепортации. По-видимому, это была идея соавтора Чарльза Беннета связать предлагаемое явление с популярным представлением о телепортации, но между вымыслом и реальностью есть существенное различие: в последней путешествует не материя, а информация , который переносит свойства исходной материи на целевую материю.
Квантовая телепортация основана на гипотезе, описанной в 1935 году физиком Альбертом Эйнштейном и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном, известной как ЭПР-парадокс.
Вследствие законов квантовой физики удалось получить две частицы и разделить их в пространстве так, чтобы они продолжали делить свои свойства, как две половины одного целого. Таким образом, действие на одного из них (на А или Алису, согласно используемой номенклатуре) мгновенно повлияет на другого (на В или Боба). Это «призрачное действие на расстоянии», по словам Эйнштейна, казалось бы, способно нарушить предел скорости света.
Изображение этого художника показывает атомы в квантовом состоянии запутанности. Информация, представленная состоянием атома A слева, телепортируется к атому B на расстоянии трех футов. Кредит: Национальный научный фонд
Теория этого явления, называемая квантовой запутанностью , была позже разработана в 1964 году Джоном Стюартом Беллом и подтверждена многочисленными экспериментами. В работе Переса, Беннета и их сотрудников предполагалось, что третья частица может взаимодействовать с частицей Алисы и терять квантовое состояние — значение одного из своих физических свойств — для передачи Бобу, чтобы оно приобрело это состояние.
Без передачи материи частица Боба превратилась бы в копию интерактивной частицы Алисы, и между ними никогда не было бы физического контакта.
Телепортированные кубиты
С 1998 года в различных экспериментах была достигнута эта квантовая телепортация, сначала с использованием отдельных фотонов, затем атомов и более сложных систем. Сначала явление демонстрировалось на небольшом расстоянии, которое в последующих исследованиях увеличилось до сотен метров и километров. Текущим рекордом является телепортация фотонов на расстояние 1400 километров от Земли к спутнику Micius на околоземной орбите. Это достижение было успешно достигнуто в 2017 году командой под руководством Цзянь-Вэй Пана из Китайского университета науки и технологий в Хэфэй (USTC).
В этих экспериментах передается информация, закодированная в битах. В классическом смысле бит — это основная единица двоичной информации, которая принимает значение 0 или 1. Применительно к квантовым состояниям бит может содержать информацию, например, о вращении частицы (разновидность вращения).
). Но в квантовой версии бита, кубита, его значение может быть как 0, так и 1 или другое значение , например 2, так как квантовая механика допускает перекрытие состояний . Вот почему квантовые вычисления считаются более мощной технологией, чем традиционные вычисления, поскольку их возможности для хранения и обработки информации намного выше.
Однако важно подчеркнуть, что квантовая телепортация не предназначена для мгновенной передачи данных или со скоростью, превышающей скорость света. Причина в том, что Бобу необходимо получить дополнительную информацию об измерениях Алисы, которая не передается через систему запутанных частиц, а потому должна быть отправлена по другому каналу; для каждого телепортированного кубита необходимо передать два классических бита, а это можно сделать только традиционными способами, которые в лучшем случае достигают только скорости света.
Будущая квантовая сеть
Но, несмотря на это ограничение, возможности квантовой телепортации выглядят все более многообещающими по мере достижения новых вех.
В этом году две группы исследователей впервые сообщили о передаче кутритов, или трехмерных единиц информации (которые могут принимать три значения: 0, 1 и 2). «Оба исследования продемонстрировали телепортацию кутрита . Основное отличие заключается в используемом нами методе», — объясняет Би-Хэн Лю, физик из UCTC и соавтор одного из еще неопубликованных исследований.0029 OpenMind .
Австрийским и китайским ученым впервые удалось передать трехмерные квантовые состояния (символическое изображение). Предоставлено: ÖAW / Harald Ritsch
Однако на данный момент между двумя командами все еще существуют разногласия. Как объяснил OpenMind физик Чао-Янг Лу, также из UCTC и соавтор другого исследования, опубликованного в Physical Review Letters , относительно работы его коллег, «сама квантовая природа телепортации не было продемонстрировано». Соавтор того же исследования Мануэль Эрхард из Венского университета также считает, что в эксперименте Лю «измерений и результатов недостаточно, чтобы утверждать о подлинной трехмерной и универсальной квантовой телепортации».
Со своей стороны Лю защищает свои результаты: «Мы провели численное моделирование и подтвердили телепортацию кутритов».
Противоречие также распространяется на возможности масштабирования системы до большего количества измерений. По словам Лю, «обе схемы масштабируемы». Со своей стороны, Эрхард утверждает, что его собственная система может быть легко расширена до любого измерения: «Дальнейшее увеличение размерности — это вопрос технологического развития», — говорит он. С другой стороны, он не уверен, что то же самое можно сказать о системе его коллег.
Но какой смысл расширять эти эксперименты на большее число измерений? «Возможное применение многомерной квантовой телепортации лежит в квантовых сетях», — объясняет Эрхард OpenMind . «Таким образом, мы представляем будущую квантовую сеть, основанную на многомерных алфавитах. Например, они обладают преимуществом более высокой информационной емкости, а также большей устойчивостью к шуму».
Таким образом, переход от кубита к кутриту, а оттуда к кукварту и так далее закладывает основу для будущих сетей квантовых вычислений .