Содержание
Впервые фотон телепортировали с одного чипа на другой / Хабр
Эксперимент провели специалисты из Бристольского университета. Новая технология поспособствует развитию квантовых компьютеров на кремниевых схемах. Рассказываем, как устроена их система. Также рассмотрим несколько сторонних проектов, связанных с квантовой телепортацией.
Фото — Steve Jurvetson — CC BY / Фото изменено
В чем суть технологии
Квантовая телепортация — это процесс, подразумевающий перенос квантового состояния на расстояние при помощи запутанных фотонов. Они разрушаются в точке отправления и воссоздаются в точке приема. В перспективе эту особенность можно использовать для передачи информации.
Первой перенос частицы в пределах одного кремниевого чипа — на 6 мм — произвела группа физиков из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) в 2013-м.
Но в конце прошлого года их коллеги из Бристоля усовершенствовали технологию и первыми в мире телепортировали фотон между микросхемами.
Это достижение — еще один шаг к разработке квантовых сетей и компьютеров на кремниевых чипах.
Как это работает
Она построена на нелинейных источниках фотонов и линейных квантовых схемах. Физики использовали миниатюрные передатчики и приёмники размером не более пяти миллиметров.
Сам процесс телепортации проходит в несколько этапов:
- Источник генерирует две пары запутанных фотонов.
- Они поступают в специальную схему, после прохождения которой их параметры измеряются и считываются сетью интерферометров Маха — Цендера.
- Один фотон отправляют к приемнику, установленному на другой микросхеме, по оптоволокну. Там его параметры вновь измеряются интерферометрами.
Специалисты Бристольского университета также провели эксперимент с четырьмя источниками и продемонстрировали состояние Гринбергера — Хорне — Целлингера (стр.3). Оно характеризуется квантовой запутанностью системы минимум из трех кубитов.
Степень совпадения квантовых состояний при их переносе с чипа на чип составила 88,5%. Цифра сопоставима с аналогичным показателем для телепортации на одной микросхеме (стр.4). Такой точности достаточно, чтобы эффективно передавать информацию по оптоволоконным каналам. Но для реализации отказоустойчивого квантового компьютера, этот параметр должен достигнуть планки в 99%. Команда физиков отмечает, что продолжит исследования в этом направлении.
Другие эксперименты
Летом прошлого года инженеры из Йокогамского государственного университета в Японии провели телепортацию частицы света внутри алмаза. Используя микро- и радиоволны, исследователи связали спин электрона с ядерным спином углерода. Затем в систему ввели фотон – электрон сразу его поглотил и передал информацию о нем второй частице. По сути, инженерам удалось сформировать миниатюрный квантовый повторитель для развертки сетей.
В августе 2019-го китайские ученые успешно телепортировали кутрит — ячейку с тремя возможными состояниями.
Для этого они собрали сложную оптическую систему из лазеров, лучевых делителей и кристаллов бората бария. Примерно в то же время аналогичный эксперимент провела интернациональная команда исследователей во главе с австрийским физиком Антоном Цейлингером (Anton Zeilinger).
Фото — Donald Giannatti — Unsplash
Ряд специалистов ведет разработки, связанные с телепортацией фотонов в космосе. Одним из первых в 2016 году такой спутник запустил Китай. С помощью лазера он передал кубит на расстояние 1200 километров — с орбиты на принимающую станцию в Тибете.
Подобные технологии открывают путь к развертке глобальных квантовых сетей. Возможно, уже в ближайшем будущем они позволят объединить привычные нам компьютеры с квантовыми машинами на кремниевых компонентах.
Мы в 1cloud.ru предлагаем услугу «Виртуальный сервер». Вы можете поднять удаленный VDS/VPS-сервер всего за две минуты. Новым клиентам — бесплатное тестирование.
Мы используем оборудование enterprise-класса от Cisco, Dell, NetApp.
Виртуализация построена на гипервизоре VMware vSphere.
Фотон телепортировали с одного чипа на другой
Физики впервые продемонстрировали процесс квантовой телепортации с одного кремниевого чипа на другой. Их система, построенная на принципах интегральной оптики, использует комбинацию нелинейных источников фотонов и линейных квантовых схем. Такая конструкция обеспечивает одну из самых высоких точностей телепортации на сегодняшний день. Работа опубликована в Nature Physics.
Для построения систем обработки и передачи квантовой информации ученые часто используют принципы интегральной оптики. Оптика обладает несколькими весомыми преимуществами: например, позволяет масштабировать систему, увеличивая ее вычислительные способности. Работа с квантовыми данными в интегральной оптике, однако, требует реализации нескольких сложных механизмов. Такая система должна уметь генерировать группы одиночных фотонов, управлять ими, а, затем — регистрировать.
В предыдущих работах физики уже сталкивались с проблемой создания генератора с достаточно яркими и различимыми фотонами.
Кроме того, объединение источника фотонов с квантовыми схемами (регистраторами) в пределах одного компактного устройства — довольно трудная задача. Несмотря на это, в 2014 году ученым удалось произвести квантовую телепортацию фотона в пределах одного кремниевого чипа.
Теперь международная группа ученых во главе с Даниэлем Ллевеллином (Daniel Llewellyn) из Бристольского университета построила систему, позволяющую произвести квантовую телепортацию с одного чипа на другой. Она состоит из двух частей — передатчика (5 × 3 миллиметра) и приемника (3,5 × 1,5 миллиметра). Передатчик представляет собой сеть из нелинейных источников фотонов и линейных квантовых схем.
Сначала генерируются две пары фотонов, которые проходят через датчик, определяющий, запутаны ли они. Затем через волноводные каналы они направляются к линейной квантовой схеме (последовательности квантовых опытов). Последний этап — измерение при помощи системы интерферометров Маха — Цендера (это устройство состоит из волновода, который разветвляется на две части; электроды, расположенные по бокам плеч интерферометра снова сводят пучок в единый).
Один из запутанных фотонов отправляется в приемник по десятиметровому оптоволоконному кабелю. Приемник производит те же измерения интерферометром, что и передатчик.
Установка может телепортировать фотоны в пределах одного и двух чипов (в случае с двумя чипами они находились на расстоянии 10 метров друг от друга). Степень совпадения квантовых состояний (точность телепортации) в первом режиме равна 0,906, во втором — 0,885. В работе по телепортации 2014 года физики добились показателя около 0,89.
По словам авторов, их работа может пригодиться в более масштабных проектах на интегральной оптике, которые применимы в сфере квантовой связи и вычислений. Речь идет не только о квантовом компьютере, но и о квантовой сети, реализованной на оптических принципах. Повышение точности передачи данных даст физикам возможность создавать более эффективные средства связи, работающие на основе квантовой телепортации.
Не так давно ученые сфотографировали квантовую запутанность, вы можете посмотреть на нее.
А о том, как правильно понимать эксперименты с запутанными частицами нам рассказывал профессор Александр Львовский.
Олег Макаров
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Ученые только что впервые телепортировали фотон с Земли на орбиту
Футуризм
7. 10. 17 Сара Маркуарт
/ Hard Science
Это важный шаг на пути к созданию глобального квантового интернета.
/ Hard Science/ Photon/ Physics/ Quantum
7. 10. 17 by Sarah Marquart
A Quantum Record
Не так давно, в начале 1990-х, ученые только предполагали, что телепортация с использованием квантовой физики возможна. С тех пор этот процесс стал стандартной операцией в лабораториях квантовой оптики по всему миру. Фактически, только в прошлом году две отдельные команды провели первую в мире квантовую телепортацию за пределами лаборатории.
Исследователи из Китая продвинулись в этом процессе еще на и сделали еще шагов: им удалось успешно телепортировать фотон с Земли на спутник, находящийся на расстоянии более 500 км (311 миль).
Нажмите, чтобы просмотреть полную инфографику
Спутник под названием Micius представляет собой высокочувствительный фотоприемник, способный обнаруживать квантовые состояния одиночных фотонов, испускаемых с земли. Micius был запущен, чтобы позволить ученым тестировать различные технологические строительные блоки для квантовых подвигов, включая запутанность, криптографию и телепортацию.
Этот трюк телепортации был объявлен одним из первых результатов этих экспериментов. Мало того, что команда телепортировала первый объект с земли на орбиту, они также создали первую квантовую сеть спутник-земля, побив рекорд по самому большому расстоянию, для которого была измерена запутанность.
«Телепортация на большие расстояния была признана фундаментальным элементом в таких протоколах, как крупномасштабные квантовые сети и распределенные квантовые вычисления», — сообщает китайская команда Обзор технологий Массачусетского технологического института. «Предыдущие эксперименты по телепортации между удаленными точками были ограничены расстоянием порядка 100 километров из-за потери фотонов в оптических волокнах или наземных каналах свободного космоса».
Определение телепортации
Что приходит на ум, когда вы думаете о телепортации?
В вашем мозгу могут возникнуть образы Скотти, сияющего на съемочной площадке «Энтерпрайза» в «Звездном пути», но на самом деле это совсем другой процесс, чем в научно-фантастических фильмах.
Квантовая телепортация основана на квантовой запутанности — ситуации, когда один набор квантовых объектов (например, фотонов) формируется в один и тот же момент времени и в одной точке пространства. Таким образом, они разделяют одно и то же существование. Это совместное существование продолжается даже тогда, когда фотоны разделены — это означает, что измерение одного фотона немедленно влияет на состояние другого, независимо от расстояния между ними.
Эту ссылку можно использовать для передачи квантовой информации путем «загрузки» информации, связанной с одним фотоном, по запутанной ссылке на другой фотон. Этот второй фотон принимает идентичность первого.
Вуаля. Телепортация.
В этом конкретном случае китайская команда создала запутанные пары фотонов на земле со скоростью около 4000 в секунду. Затем они направили один из этих фотонов на спутник, а другой оставили на земле. Наконец, они измерили фотоны на земле и на орбите, чтобы подтвердить, что запутанность имеет место.
Стоит отметить, что у этой технологии есть некоторые ограничения. Например, транспортировка чего-либо крупного – это далеко. Теоретически также не существует максимального расстояния транспортировки, но запутанность хрупкая, и связи могут быть легко разорваны.
Несмотря на эти ограничения, это исследование прокладывает путь к еще более амбициозным исследованиям квантовой телепортации. «Эта работа устанавливает первую восходящую линию связи «земля-спутник» для надежной и сверхдальней квантовой телепортации, что является важным шагом на пути к квантовому интернету глобального масштаба», — говорят в команде.
Поделиться этой статьей
Фотонная телепортация с использованием квантовой механики
ДОЛЯ:
FacebookTwitter
Понять концепцию телепортации и то, как квантовая механика делает возможной фотонную телепортацию
Как квантовая механика делает возможной телепортацию фотонов.
© Всемирный фестиваль науки (партнер-издатель Britannica)
СЕТ ЛЛОЙД: Телепортация, это действительно странно [? Treckian ?] вещь. Итак, идея в том, позвольте мне взять… Артур, возможно, вы могли бы быть не Кирком, а капитаном Пикардом. Боже мой, он капитан Пикард.
Итак, идея телепортации заключается в том, что вы хотите дематериализовать капитана Пикарда здесь и материализовать его там. Долгое время люди думали, что квантовая механика предотвратит это, потому что, когда вы смотрите на что-то, вы все портите. И поэтому, если вам нужно посмотреть на что-то, чтобы получить достаточно информации об этом, чтобы телепортировать это, вы просто не только дематериализуете это, но и уничтожите это. Но эта причудливая запутанность, эта квантовая странность, когда вещи, находящиеся далеко друг от друга, знают друг о друге гораздо больше, чем должны знать. Это действительно позволяет вам это сделать.
Итак, идея состоит в том, чтобы создать группу запутанных частиц.
Вы проводите измерения на капитане Пикарде вместе с запутанными частицами здесь. И это генерирует информацию, просто строку битов, обычных классических битов. И вы берете эти кусочки и отправляете их Скотти, сюда. И это позволяет Скотти повторно материализовать капитана Пикарда. Изменяя состояние других запутанных частиц, он может воссоздать то, что здесь было разрушено.
ВОПРОС: Его здесь уничтожили, а там он точно так же воссоздан?
ЛЛОЙД: Ну, если все получится.
ДОКЛАДЧИК: Надеюсь.
ЛЛОЙД: Да, верно. Итак, если все работает так, как вы хотите, то все реконструируется…
ВОПРОС: И это делается с помощью фотонов?
ЛЛОЙД: Да, то, как это делается сейчас, и на самом деле уже 20 лет — это не что-то совершенно новое. Люди с середины 1990-х телепортируют частицы света отсюда сюда. У вас есть пара запутанных фотонов, вы вводите другой фотон, проводите измерение этого фотона с половиной запутанной пары, отправляете сюда несколько классических битов информации, манипулируете этим другим фотоном, и вуаля, все то же самое.
ВОПРОС: И что теоретически может произойти между этим местом и Марсом или между этим местом и другой стороной галактики? На какой скорости это происходит?
ЛЛОЙД: У вас есть эта забавная особенность запутанности, которую наша макроскопическая интуиция подсказывает нам: когда вы проводите измерение здесь, что-то происходит мгновенно там. Но на самом деле это не так. Дело в том, что эта квантовая фанковость — это, кстати, технический термин. Однажды я видел Джеймса Брауна на концерте, и кто-то сказал: «Ну, Джеймс, что будет дальше?» И он сказал: «Я не знаю, но что бы это ни было, оно должно быть прикольным».
ИНТЕРВЬЮЕР: Квант.
ЛЛОЙД: Квантовый фанк.
ВОПРОС: Значит, он быстрее света? Медленнее света? Я за тобой.
ЛЛОЙД: Так что на самом деле это не имеет значения. Это не происходит быстрее света. Но сообщение, которое вы отправляете для восстановления информации, не может передаваться быстрее скорости света. Так что вы не можете воссоздать то, что вы телепортируете сюда быстрее скорости света.