Содержание
Что такое телепортация и где она уже применяется
Рассказываем, что такое кротовые норы, как работает квантовая телепортация, какие фейки о ней существуют и где она используется уже сегодня
⏰ Время на чтение: 7–9 минут
Что такое телепортация
Телепортация (от греческого «далеко» и латинского «нести») — гипотетическое мгновенное перемещение объекта на любое расстояние со скоростью быстрее скорости света. Этот термин ввел в употребление американский публицист, исследователь «непознанного», Чарльз Хой Форт после публикации в 1931 году книги «Вулканы небес» о парапсихологии и сверхъестественном. Правда тогда понятие имело мало общего с наукой.
Когда мы думаем о способах телепортации, первое, что приходит в голову — кротовые норы (они же червоточины), которые не отрицает теория относительности. Согласно ней, наша Вселенная изгибается в четвертом пространственном измерении, и в некоторых местах возможны пограничные зоны, где пространство удалено друг от друга, но при этом приближается довольно близко друг к другу сквозь четвертое измерение.
При определенных условиях две разные точки трехмерного пространства сольются в одну через дополнительное измерение, образуя тоннель. Шагнул в такое — и переместился мгновенно на миллиарды световых лет. Казалось бы, все просто, но для того, чтобы человека в этом тоннеле не «размазало», его стенки нужно укрепить специальной материей, которая и будет держать их в стабильном состоянии. А такой материи у людей пока нет.
Кротовая нора
(Фото: wikipedia.org)
Второй способ телепортации — квантовый. Доказал, что она возможна, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, который, однако, пытался заявление о возможности телепортации опровергнуть. О том, что такое квантовая телепортация и как она работает, поговорим подробнее.
Квантовая телепортация
Квантовая телепортация означает возможность мгновенной передачи состояния с одной частицы на другую независимо от того, как далеко друг от друга они находятся.
Обязательным условием для проведения квантовой телепортации является наличие набора одинаковых атомов в точке отправления состояния и в точки получения состояния. То есть квантовая телепортация не имеет ничего общего с материальным перемещением объекта.
Профессор физфака МГУ Сергей Вятчанин — о квантовой телепортации и квантовой запутанности
Эйнштейн открыл это явление в 1935 году в соавторстве с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном. Ученые доказали, что состояние двух частиц А и Б, однажды провзаимодейстовавших и разлетевшихся в разные направления после соударения, зависит друг от друга на любом расстоянии и эта зависимость проявляется мгновенно. Например, у нас есть две частицы А и Б, они однажды были во взаимодействии, и мы знаем, что сумма их спинов (моментов импульса) всегда равна нулю, при этом спин частицы А направлен вверх, а спин Б — вниз. Как бы далеко мы не разнесли эти частицы, при изменении спина частицы А вниз, спин частицы Б будет мгновенно направляться вверх.
Примеры телепортации
В мире есть много нашумевших примеров телепортации, которые на деле оказались фейками. Один из самых громких примеров — телепортация матки муравьев атта. Данное явление было открыто натуралистом Айвеном Сандерсоном. Он проводил серию опытов — помещал женскую особь насекомого, отмеченную красной краской, в бункер. Когда бункер был открыт, особь оставалась в нем, но как только бункер закрывали, матка тут же исчезала и ученые находили ее в нескольких метрах от места опыта. Впрочем, современная наука не допускает возможности телепортации макроскопических тел; физики не подтвердили опыты Сандерсона.
Еще один пример — телепортация американского военного корабля. По легенде, в 1943 году ВМС США проводил эксперимент с эсминцем «Элдридж», который вначале находился в американском городе Норфолке и в этот же день «телепортировался» на 320 км в Филадельфию. Факт проведения эксперимента по телепортации ВМС США опровергли, а «мгновенное» перемещение корабля мореплаватели объяснили наличием канала, по которому эсминец мог быстро добраться из одного города в другой.
Но есть и реальные случаи телепортации — квантовой, — возможность которых доказана и объяснена физиками. В 1997 году под руководством Антона Цайлингера из Инсбрукского университета и Франческо де Мартини из Римского университета прошла первая в мире экспериментальная квантовая телепортация поляризационного состояния фотона. А уже в 2004 году физики Венского университета телепортировали фотоны на расстояние 600 м через Дунай.
Путешествие через кротовую нору в представлении художника NASA, 1998 год
(Фото: wikipedia.org)
Возможна ли телепортация?
Отсюда ответ на главный вопрос — да, телепортация сегодня возможна, но ограничена законами физики.
«Несмотря на многообещающее название, квантовая телепортация — это всего лишь процедура, в результате которой получатель в ходе согласованного классического сеанса связи с отправителем может восстановить на своей стороне квантовое состояние, которое было у отправителя.
Исходное квантовое состояние отправителя при этом уничтожается. То есть возможна лишь передача квантовой информации, а не макрообъектов», — объясняет сотрудник лаборатории квантовой информатики Университета ИТМО Роман Гончаров.
Как объясняет Гончаров, есть ряд проблем с осуществлением квантовой телепортации, чаще всего связанных с несовершенством оборудования, и не позволяющих в полной мере переложить теорию на эксперимент. «Отсюда и возникают ограничения, например, по расстоянию. И хотя различные научные группы активно работают над усовершенствованием текущих схем и ищут новые подходы, в ближайшие несколько лет навряд ли получится приблизиться к серьезным изменениям. Оборудование может быть «идеальным» только в простых теоретических моделях», — добавляет ученый.
Что касается мгновенного перемещения живых существ, то руководитель научной группы «Квантовая оптика» в Российском квантовом центре и профессор Оксфордского университета Александр Львовский объясняет: теоретически наука не опровергает возможность квантовой телепортации человека, т.
к. мы сами состоим из кислорода, водорода и углерода с небольшой добавкой других химических веществ.
«Если мы соберем нужное количество атомов нужных элементов, а затем с помощью телепортации приведем их в состояние, идентичное их состоянию в теле телепортируемого человека — получится тот самый человек. Я, конечно, предельно утрирую — от телепортации человека нас отделяет целая вечность. Однако суть вопроса именно в этом: идентичные квантовые частицы встречаются везде, а вот привести их в нужное квантовое состояние совсем непросто», — заявил он изданию N+1.
Но телепортировать живого человека у ученых едва ли получится и через века — как отмечает Гончаров из ИТМО, «оригинал при телепортации уничтожается».
Телепортация в России и в мире сегодня
Опрошенные эксперты утверждают: у квантовой телепортации есть колоссальный технологический потенциал, и лежит он, в основном, в области связи и вычислительной техники. По словам руководителя научной группы «Квантовые информационные технологии» в Российском квантовом центре Алексея Федорова, одно из направлений, которым сегодня занимаются физики — увеличение расстояния для квантовых коммуникаций.
Ученым это необходимо для создания криптографических ключей, которые используются для интернет-соединения и в мобильных банках.
«Сегодня для выработки криптографических ключей используются определенные классы математических алгоритмов, однако такой способ будет неустойчивым для атак с квантовым компьютером. Когда появится квантовый компьютер достаточной мощности, мы не сможем использовать нынешнее поколение математических алгоритмов, а вот квантовое распределение ключей абсолютно устойчивое», — говорит Федоров.
Одно из технических ограничений для использования квантового распределения ключей — это расстояние, на которое ключ может быть передан. «Сейчас максимальное расстояние распределения ключей с разумной скоростью составляет 100-200 км, и связано это с затуханием в канале передачи квантовых состояний (например, оптоволокне), то есть часть фотонов просто теряется. Чтобы это предотвратить, нужны квантовые повторители, которые могут строиться на основе квантовой телепортации.
Поэтому эксперименты с квантовой телепортацией могут помочь нам увеличить расстояние для квантового распределения криптографических ключей», — объясняет Федоров.
За последние десятилетия ученые в мире регулярно делают новые открытия в квантовых коммуникациях. В конце 2019 года исследователи из Бристольского университета в Великобритании и Датского технического университета впервые смогли передать состояние между двумя чипами. Эти чипы, по заявлению ученых, способны кодировать квантовую информацию в свете и обрабатывать ее с высокой эффективностью и низким уровнем шума. Изобретение поможет человечеству создавать более сложные схемы для квантовых вычислений и коммуникаций.
Одним из научных центров в России, где сегодня изучают квантовую телепортацию, является Российский квантовый центр; там исследования ведутся группой ученых под руководством Александра Львовского. Схожие эксперименты проходят в лаборатории квантовой оптики Московского государственного университета.
На мировом уровне квантовой телепортацией занимается группа Юджина Ползика в институте Нильса Бора в Копенгагене, группа Антона Цайлингера в Австрии, Михаила Лукина в Гарвардском университете и группа Цзянь-Вэй Пана в Китае.
Последней принадлежит рекорд по расстоянию передачи квантовой телепортации на 1 200 км.
Впервые в мире проведена квантовая телепортация
Безопасность
Техника
|
Поделиться
Ученые из Великобритании и Дании провели первую в мире квантовую телепортацию — смогли передать квантовое состояние частицы между двумя чипами. Это должно стать краеугольным камнем для технологий квантовой связи. Точность передачи данных составила 91%.
Кодирование в свете
Ученые из Бристольского университета в Великобритании и Датского технического университета создали устройства наподобие чипов, которые способны генерировать и манипулировать отдельными частицами света в программируемых наноразмерных схемах, реализуя таким образом законы квантовой физики.
Об этом сообщил Бристольский университет на своем сайте. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Physics.
Эти чипы способны кодировать квантовую информацию в свете, который генерируется внутри схемы, и могут обрабатывать эту информацию с высокой эффективностью и чрезвычайно низким уровнем шума. Изобретение должно помочь человечеству перейти к созданию более сложных схем для квантовых вычислений и коммуникаций, чем те, которые существуют на сегодняшний день.
Квантовая телепортация
В одном из самых прорывных экспериментов исследователи из Лаборатории квантовых инженерных технологий Бристольского университета (QET Labs) впервые продемонстрировали квантовую телепортацию информации между двумя программируемыми микросхемами. Они отмечают, что это должно стать краеугольным камнем для технологий квантовой связи.
Данная телепортация представляет собой передачу квантового состояния частицы из одного места в другое с помощью так называемого квантового запутывания, при котором квантовые состояния нескольких частиц зависят друг от друга.
Установление запутанной линии связи между двумя чипами оказалось весьма непростой задачей, даже в лабораторных условиях.
Схема передачи квантового состояния от одной частицы к другой при телепортации
По словам одного из авторов исследования — Дэна Ллевеллина (Dan Llewellyn) из Бристольского университета — изначально фотоны в каждом чипе находились в одном квантовом состоянии. Затем каждый чип был запрограммирован для проведения ряда манипуляций с использованием запутывания. В основном эксперименте были задействованы две микросхемы. Между ними удалось передать индивидуальное квантовое состояние частицы после проведения квантовых измерений. В ходе измерений использовался феномен квантовой физики, при котором одновременно разрушается запутанная связь, а состояние частицы передается другой частице, уже находящейся в чипе-приемнике.
Другой соавтор работы, профессор Имад Фарук (Imad Faruque), также из Бристольского университета, добавил, что в итоге была создана еще более сложная схема, содержащая четыре однофотонных источника.
Все источники были проверены и признаны практически идентичными, то есть испускающими почти одинаковые фотоны, что чрезвычайно важно для обмена запутыванием. Точность квантовой телепортации составила 91%.
Кроме того, исследователи смогли продемонстрировать некоторые другие важные функциональные возможности своих чипов. К ним относятся перестановка запутывания (требуется для квантовых повторителей и квантовых сетей) и четырехфотонные гигагерцные состояния (требуются в квантовых вычислениях и квантовом интернете).
Зачем нужны квантовые технологии
Современные компьютеры достаточно успешно работают с большими массивами данных, находя в них алгоритмы и отдельные сведения. Но там, где закономерность не прослеживается из-за недостатка информации, или, наоборот, из-за слишком большого ее объема, традиционные системы не могут помочь. Однако с этими задачами могут справиться квантовые вычислительные системы, превосходство которых над традиционными было неоднократно доказано.
Как «Тинькофф» проводит встречи и обучает 20 000 сотрудников ежемесячно
Импортозамещение ВКС
Квантовые вычисления можно применить для решения проблем моделирования в области химии, поскольку традиционная техника не может, например, смоделировать квантовые состояния даже простой молекулы из-за их большого количества. Компании вроде IBM уже разработали методики, позволяющие исследовать симуляцию химических задач с помощью квантовых процессоров. В перспективе на квантовых компьютерах можно будет осуществлять моделирование сложных молекул и высокоточное предсказание химических свойств.
Квантовые приложения в дальнейшем могут быть использованы для создания новых медикаментов, поскольку с их помощью можно моделировать сложные молекулярные и химические реакции. Также они найдут применение в глобальной логистике, где помогут в построении каналов поставок в наиболее загруженные периоды — например, в праздничный сезон.
В сфере инвестиций квантовые инструменты применимы для моделирования финансовых данных и ликвидации факторов риска в процессе инвестиций.
Кроме того, они дадут возможность осуществлять поиск по чересчур большим массивам данных с помощью усиленного искусственного интеллекта, что пригодится при поиске изображений или видео. Также квантовые алгоритмы смогут повысить безопасность облачных вычислений и конфиденциальной информации за счет законов квантовой физики.
- Подобрать оптимальный виртуальный сервер VPS/VDS на ИТ-маркетплейсе Market.CNews
Валерия Шмырова
Квантовая телепортация Ученые из Великобритании и Дании провели первую в мире «квантовую телепортацию».
A) Схема чипа: черные линии представляют одномодовые волноводы для одиночных фотонов; красные и синие импульсы представляют энергию фотонов на каждом пути; желтые столбцы представляют внешний контроль фазы.
B) Настройка телепортации. C) Настройка обмена «запутанностью». D) Подготовка четырехфотонного состояния
Ученые из Великобритании и Дании провели первую в мире «квантовую телепортацию».
Ученые из Бристольского университета в Великобритании и Датского технического университета провели первую в мире «квантовую телепортацию» – они смогли передать квантовое состояние частицы между двумя чипами, что может стать «краеугольным камнем для технологий квантовой связи». Первое сообщение об открытии появилось 23 декабря на странице http://www.bristol.ac.uk/news/2019/december/quantum-teleportation.html.
Квантовые компьютеры могут стать ключом к решению проблем, которые пока слишком сложны даже для самых мощных в мире современных суперкомпьютеров, а «квантовый Интернет», в конечном итоге, сможет защитить информацию от злонамеренных атак.
Эти технологии завтрашнего дня основаны на так называемой «квантовой информации», которая обычно кодируется в виде единичных квантовых частиц, которые чрезвычайно трудно контролировать и измерять.
Ученые из Бристольского университета (University of Bristol, https://www.bristol.ac.uk/) в сотрудничестве с Датским техническим университетом (Danmarks Tekniske Universitet, DTU, http://www.dtu.dk/) успешно разработали устройства, которые могут использовать приложения квантовой физики, генерируя и манипулируя отдельными частицами света в программируемых наноразмерных схемах. Данные чипы способны кодировать «квантовую информацию» в свете, генерируемом внутри цепей, и могут обрабатывать «квантовую информацию» с высокой эффективностью и чрезвычайно низким уровнем шума. Данная демонстрация может значительно повысить способность создавать более сложные квантовые схемы, которые требуются в квантовых вычислениях и коммуникациях.
Работа ученых, опубликованная в Nature Physics (https://www.nature.com/articles/s41567-019-0727-x), содержит ряд квантовых демонстраций. Так, в одном из экспериментов исследователи из Лаборатории квантовых инженерных технологий Бристольского университета (Quantum Engineering Technology Labs, QET Labs) впервые в мире смогли продемонстрировать «квантовую телепортацию» информации между двумя чипами (программируемыми микросхемами), что, как они отмечают, является «краеугольным камнем квантовой связи и квантовых вычислений».
Квантовая телепортация означает квантовую передачу состояния квантовой частицы из одного места в другое, используя «запутывание». «Телепортация» полезна не только для квантовой связи, но является фундаментальным строительным блоком всех оптических квантовых вычислений. Установление запутанной линии связи между двумя чипами в лаборатории оказалось весьма сложной задачей. Соавтор открытия Дэн Ллевеллин (Dan Llewellyn) заявил: «Мы смогли продемонстрировать высококачественную связь между двумя чипами в лаборатории, где фотоны на каждом чипе находятся в одном квантовом состоянии. Мы осуществили эксперимент по «телепортации» с двумя микросхемами, при котором индивидуальное квантовое состояние частицы передается через две микросхемы после проведения квантового измерения. В этом измерении используется «странное» поведение квантовой физики, которая одновременно разрушает «запутанную» связь и передает состояние частицы другой частице, уже находящейся на чипе приемника».
Другой соавтор открытия, д-р Имад Фарук (Imad Faruque), также из Бристоля, отмечает: «Основываясь на нашем предыдущем результате высококачественных однофотонных источников на кристалле, мы создали еще более сложную схему, содержащую четыре источника.
Все эти источники проверены нами и признаны практически идентичными, испускающими почти идентичные фотоны, что является существенным критерием для серии проведенных нами экспериментов, таких как обмен перепутыванием».
Результаты показали чрезвычайно высокую точность квантовой телепортации – 91%. Кроме того, исследователи смогли продемонстрировать и некоторые другие важные функциональные возможности своих конструкций, такие как перестановка «запутывания» (требуется для квантовых повторителей и квантовых сетей) и четырехфотонные состояния (требуются в квантовых вычислениях и «квантовом Интернете»).
По словам соавтора открытия д-ра Янхонга Динга (Yunhong Ding), из DTU, низкие потери, высокая стабильность и отличная управляемость крайне важны для интегрированной квантовой фотоники: «Этот эксперимент стал возможен только благодаря наличию современной технологии кремниевой фотоники с низкими потерями, основанной на высококачественном изготовлении в DTU».
Д-р Джианвэй Ванг (Jianwei Wang), работающий в настоящее время в Пекинском университете, заявил: «В будущем интеграция квантовых фотонных устройств и классических электронных элементов управления с одним чипом откроет двери для полностью квантовых CMOS-совместимых сетей связи и обработки информации на основе чипов».
При осуществлении «квантовой телепортации», помимо передачи информации по квантовому каналу, нужно также осуществить передачу дополнительной информации, необходимой для прочтения сообщения, по классическому каналу. Для передачи «квантовой части» используются характерные для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна – Подольского – Розена, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи.
Перехватить передаваемую информацию в квантовых сетях принципиально невозможно: если «злоумышленник» попытается проследить за эволюцией «запутанной» пары, то он тут же разрушит ее «запутанность».
Сторонники так называемой «альтернативной физики» объясняют эффект «квантовой телепортации» принципом предопределения Ковалевской-Пуанкаре-Мотовилова.
Экспериментальная реализация квантовой телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена еще в 1997 году почти одновременно группами физиков под руководством Антона Цайлингера (Университет Инсбрука) и Франческо де Мартини (Университет Рима).
Эксперимент ученых из Бристольского университета в Великобритании и Датского технического университета еще на шаг приблизил эру квантовых вычислений и связи.
Поделиться:
Возможна ли телепортация? Да, в квантовом мире : Центр новостей
Профессор физики Эндрю Джордан Джордан и его коллеги будут использовать сверхпроводящие схемы для разработки экспериментов, которые можно проводить в реалистичной квантовой системе, с целью изучения концепций, которые в настоящее время плохо изучены в квантовая механика.y . (Фото из Университета Рочестера / Дж. Адам Фенстер)
«Подними меня наверх» — одна из самых известных крылатых фраз из сериала «Звездный путь». Это команда, выдаваемая, когда персонаж хочет телепортироваться из удаленного места обратно на звездолет «Энтерпрайз».
В то время как человеческая телепортация существует только в научной фантастике, телепортация возможна в субатомном мире квантовой механики, хотя и не так, как обычно изображают по телевизору.
В квантовом мире телепортация предполагает транспортировку информации, а не материи.
В прошлом году ученые подтвердили, что информация может передаваться между фотонами на компьютерных чипах, даже если фотоны не связаны физически.
Теперь, согласно новому исследованию Университета Рочестера и Университета Пердью, телепортация также может быть возможна между электронами.
В статье, опубликованной в Nature Communications и еще одной, которая появится в Physical Review X , исследователи, включая Джона Никола, доцента физики в Рочестере, и Эндрю Джордана, профессора физики в Рочестере, изучают новые способы создания квантово-механических взаимодействий между удаленными электронами. Исследование является важным шагом в улучшении квантовых вычислений, которые, в свою очередь, могут революционизировать технологии, медицину и науку, предоставляя более быстрые и эффективные процессоры и датчики.
«Жуткое действие на расстоянии»
Квантовая телепортация — это демонстрация того, что Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», также известного как квантовая запутанность.
В запутанности — одном из основных понятий квантовой физики — свойства одной частицы влияют на свойства другой, даже если частицы разделены большим расстоянием. В квантовой телепортации участвуют две удаленные запутанные частицы, в которых состояние третьей частицы мгновенно «телепортирует» свое состояние к двум запутанным частицам.
Квантовая телепортация — важное средство передачи информации в квантовых вычислениях. В то время как типичный компьютер состоит из миллиардов транзисторов, называемых битами, квантовые компьютеры кодируют информацию в квантовых битах или кубитах. Бит имеет единственное двоичное значение, которое может быть либо «0», либо «1», но кубиты могут быть «0» и «1» одновременно. Способность отдельных кубитов одновременно занимать несколько состояний лежит в основе большой потенциальной мощности квантовых компьютеров.
Недавно ученые продемонстрировали квантовую телепортацию, используя электромагнитные фотоны для создания дистанционно запутанных пар кубитов.
Кубиты, состоящие из отдельных электронов, однако, также перспективны для передачи информации в полупроводниках.
«Отдельные электроны — многообещающие кубиты, потому что они очень легко взаимодействуют друг с другом, а отдельные электронные кубиты в полупроводниках также масштабируемы», — говорит Николь. «Надежное создание взаимодействий между электронами на больших расстояниях имеет важное значение для квантовых вычислений».
Создание запутанных пар электронных кубитов, которые охватывают большие расстояния, что необходимо для телепортации, оказалось сложной задачей: в то время как фотоны естественным образом распространяются на большие расстояния, электроны обычно ограничены одним местом.
Запутанные пары электронов
Чтобы продемонстрировать квантовую телепортацию с помощью электронов, исследователи использовали недавно разработанный метод, основанный на принципах обменной связи Гейзенберга. Отдельный электрон похож на стержневой магнит с северным полюсом и южным полюсом, который может указывать вверх или вниз.
Направление полюса — например, указывает ли северный полюс вверх или вниз — известно как магнитный момент электрона или состояние квантового спина. Если определенные виды частиц обладают одинаковым магнитным моментом, они не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. То есть два электрона в одном и том же квантовом состоянии не могут располагаться друг над другом. Если бы они это сделали, их состояния поменялись бы местами во времени.
Исследователи использовали эту технику для распределения запутанных пар электронов и телепортации их спиновых состояний.
«Мы предоставляем доказательства «обмена запутанностью», при котором мы создаем запутанность между двумя электронами, даже если частицы никогда не взаимодействуют, и «телепортацию квантовых ворот», потенциально полезную технику для квантовых вычислений с использованием телепортации», — говорит Николь. «Наша работа показывает, что это можно сделать даже без фотонов».
Результаты открывают путь для будущих исследований квантовой телепортации, включающей спиновые состояния всей материи, а не только фотонов, и предоставляют дополнительные доказательства удивительно полезных возможностей отдельных электронов в кубитовых полупроводниках.
Это исследование основано на работе, поддержанной Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, Военным исследовательским бюро и Национальным научным фондом.
Теги: Эндрю Джордан, Департамент искусств и наук, Факультет физики и астрономии, Джон Никол, квантовые вычисления, квантовая физика, URnano
Телепортация: фотонные частицы сегодня, люди завтра?
Опубликовано
Источник изображения, Getty Images
Подпись к изображению,
Собираемся ли мы смело идти туда, куда еще никто не ступал?
Том Спендер
BBC News
Китайские ученые говорят, что они «телепортировали» частицу фотона с земли на спутник, находящийся на расстоянии 1400 км (870 миль).
Однако у многих телепортация ассоциируется с чем-то гораздо более экзотическим. Мир, ранее ограниченный научной фантастикой, теперь становится реальностью?
Ну вроде. Но вряд ли в ближайшее время мы будем сиять в офисе или на пляже на Багамах. Извиняюсь.
Как это работает?
Проще говоря, телепортация — это передача состояния вещи, а не сама вещь.
Некоторые физики приводят в пример факсимильный аппарат — он отправляет информацию о метках на листе бумаги, а не о самой бумаге. Принимающий факс получает информацию и применяет ее к уже имеющемуся сырью в виде бумаги.
Это видео невозможно воспроизвести
Чтобы воспроизвести это видео, вам необходимо включить JavaScript в вашем браузере.
Медиа-заголовок,
Китай телепортирует первый фотон с Земли на орбиту, используя квантовую запутанность
Это не телепортация в смысле «Звездного пути» — мгновенное перемещение материи из одного места в другое — как многие инстинктивно видят это.
Вместо этого он основан на явлении, известном как квантовая запутанность.
Что такое квантовая запутанность?
Действительно. Явление возникает, когда две частицы создаются в одно и то же время и в одном и том же месте и, таким образом, фактически существуют одинаково.
Эта запутанность продолжается даже тогда, когда фотоны разделяются. Это означает, что если один из фотонов изменится, другой фотон в другом месте тоже изменится.
Профессор Санду Попеску из Бристольского университета занимается квантовой запутанностью с 1990-х годов.
«Уже тогда люди думали о «Звездном пути». Но мы говорим об отправке состояния одной частицы, а не миллиардов миллиардов миллиардов частиц, из которых состоит человек», — говорит он.
«Если вы думаете об отдаленной планете, то сначала вам придется обмениваться миллиардами запутанных пар частиц, а затем отправлять и другую информацию. Это очень нетривиально. Не стоит этим увлекаться. »
Как телепортировать частицу?
Вернемся к нашим двум запутанным частицам.
Если третья частица взаимодействует с первой запутанной частицей, изменение, происходящее в запутанной частице, отражается в ее близнеце.
Итак, двойник содержит информацию о третьей частице и фактически принимает ее существование.
Звучит здорово, в чем проблема?
Было невозможно создать дальнюю связь между двумя запутанными частицами, потому что запутанный фотон может пройти только около 150 км по оптоволоконному каналу, прежде чем поглотится.
Источник изображения, AFP/Getty
Подпись к изображению,
Китайский спутник Micius оснащен чувствительным приемником фотонов
Исследователи уже давно увидели потенциал спутниковой связи, поскольку фотоны могут легче перемещаться в космосе, но их трудно передать через земную атмосферу — различные атмосферные условия могут отклонять частицы.
Подробнее:
- Квантовые вычисления: переломный момент или угроза безопасности?
- «Мертвый или живой» кот в физике топ-10
- Джастин Трюдо решает квантовую задачу
- Про-балерина и квантовый физик
Чего добилась китайская команда?
Они создали 4000 пар квантово-запутанных фотонов в секунду в своей лаборатории в Тибете и направили один фотон из каждой пары в луче света на спутник под названием Micius, названный в честь древнекитайского философа.
У Микиуса есть чувствительный приемник фотонов, который может обнаруживать квантовые состояния одиночных фотонов, испускаемых с земли. В их отчете, опубликованном в Интернете, говорится, что это первая подобная ссылка для «точной и сверхдальней квантовой телепортации».
«Это очень хороший эксперимент — я не ожидал, что все пройдет так быстро и гладко», — говорит профессор Антон Цайлингер из Венского университета, который обучал ведущего китайского ученого Пана Цзяньвэя.
Если вы не можете телепортировать людей, почему это интересно?
Основной целью квантовой телепортации в настоящее время является создание сетей связи, которые невозможно взломать.
«Законы природы обеспечивают защиту», — говорит профессор Попеску. «Если бы кто-то перехватил информацию, вы могли бы ее обнаружить, потому что всякий раз, когда вы пытаетесь наблюдать за квантовой системой, вы нарушаете ее».
Источник изображения, Science Photo Library
Подпись к изображению,
Квантовые компьютерные сети обеспечивают большую безопасность -называемые «доверенными узлами» каждые 100 км, где квантовый сигнал измеряется и снова отправляется, говорит профессор Цайлингер.
«Это первый квантовый интернет. Скорость передачи данных низкая, поэтому он бесполезен для современного интернета. Но он полезен для обновления квантового ключа, используемого для отправки зашифрованной информации», — говорит профессор Цайлингер.
Квантовая сеть может использоваться для конфиденциальной финансовой или избирательной информации, говорит профессор Ян Уолмсли из Оксфордского университета.
«Еще предстоит преодолеть значительные барьеры. Но именно так начинаются преобразующие изменения», — говорит он.
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 Звездный путь серии.
Телепортация в реальной науке начала формироваться в 1993 году благодаря теоретическому исследованию, опубликованному Пересом и пятью другими исследователями в Physical Review Letters , которое заложило основу для квантовой телепортации. Судя по всему, это была идея соавтора Чарльза Беннета связать предлагаемое явление с популярным представлением о телепортации, но между вымыслом и реальностью есть существенное различие: в последнем 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 парадокс ЭПР. 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 состоянию Боба, чтобы она приобрела это состояние. Без переноса 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.0183 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 количество 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 т. д. сейчас закладывает основу для будущих сетей квантовых вычислений .