Явление квантовой телепортации состоит в том что. Китайские ученые поставили рекорд дальности квантовой телепортации

Квантовая телепортация является одним из наиболее важных протоколов в квантовой информации. Основываясь на физическом ресурсе запутанности, она служит главным элементом различных информационных задач и представляет собой важную составную часть квантовых технологий, играя ключевую роль в дальнейшем развитии квантовых вычислений, сетей и коммуникации.

От научной фантастики до открытия ученых

Прошло уже более двух десятилетий с момента открытия квантовой телепортации, которая, возможно, является одним из самых интересных и захватывающих следствий «странности» квантовой механики. До того как были сделаны эти великие открытия, данная идея принадлежала области научной фантастики. Впервые придуманный в 1931 г. Чарльзом Х. Фортом термин «телепортация» с тех пор используется для обозначения процесса, посредством которого тела и объекты передаются из одного места в другое, на самом деле не преодолевая расстояние между ними.

В 1993 году была опубликована статья с описанием протокола квантовой информации, получившего название «квантовая телепортация», который разделил несколько из перечисленных выше признаков. В нем неизвестное состояние физической системы измеряется и впоследствии воспроизводится или «повторно собирается» в удаленном месте (физические элементы исходной системы остаются в месте передачи). Этот процесс требует классических средств связи и исключает сверхсветовую коммуникацию. Для него необходим ресурс запутанности. На самом деле телепортацию можно рассматривать как протокол квантовой информации, который наиболее четко демонстрирует характер запутанности: без его присутствия такое состояние передачи не было бы возможным в рамках законов, которыми описывается квантовая механика.

Телепортация играет активную роль в развитии науки об информации. С одной стороны, протокол, играющий решающую роль в развитии формальной квантовой теории информации, а с другой он является фундаментальной составляющей многих технологий. Квантовый повторитель - ключевой элемент коммуникации на большие расстояния. Телепортация квантовых переключателей, вычисления на основе измерений и квантовые сети - все являются ее производными. Она используется и в качестве простого инструмента для изучения «экстремальной» физики, касающейся временных кривых и испарения

Сегодня квантовая телепортация подтверждена в лабораториях во всем мире с использованием множества различных субстратов и технологий, в том числе фотонных кубитов, ядерного магнитного резонанса, оптических мод, групп атомов, захваченных атомов и полупроводниковых систем. Выдающиеся результаты были достигнуты в области дальности телепортации, предстоят эксперименты со спутниками. Кроме того, начались попытки масштабирования до более сложных систем.

Телепортация кубитов

Квантовая телепортация была впервые описана для двухуровневых систем, так называемых кубитов. Протокол рассматривает две удаленные стороны, именуемые Алисой и Бобом, которые разделяют 2 кубита, А и В, находящиеся в чистом запутанном состоянии, также называемые парой Белла. На входе Алисе дается еще один кубит а, чье состояние ρ неизвестно. Затем она выполняет совместное квантовое измерение, называемое обнаружением Белла. Оно переносит а и А в одно из четырех состояний Белла. В результате состояние входного кубита Алисы при измерении исчезает, а кубит Боба B одновременно проецируется на Р † k ρP k . На последнем этапе протокола Алиса передает классический результат ее измерения Бобу, который применяет оператор Паули P k для восстановления исходного ρ.

Начальное состояние кубита Алисы считается неизвестным, так как в противном случае протокол сводится к его удаленному измерению. Кроме того, оно само по себе может быть частью более крупной составной системы, разделенной с третьей стороной (в этом случае успешная телепортация требует воспроизведения всех корреляций с этой третьей стороной).

Типичный эксперимент по квантовой телепортации принимает исходное состояние чистым и принадлежащим к ограниченному алфавиту, например, шести полюсам сферы Блоха. В присутствии декогеренции качество реконструированного состояния может быть количественно выражено точностью телепортации F ∈ . Это точность между состояниями Алисы и Боба, усредненные по всем результатами обнаружения Белла и исходному алфавиту. При малых значениях точности существуют методы, позволяющие провести несовершенную телепортацию без использования запутанного ресурса. Например, Алиса может напрямую измерить свое исходное состояние, посылая результаты Бобу для подготовки результирующего состояния. Такую стратегию измерения-подготовки называют «классической телепортацией». Она имеет максимальную точность F class = 2/3 для произвольного входного состояния, что эквивалентно алфавиту взаимно несмещенных состояний, таких как шесть полюсов сферы Блоха.

Таким образом, четким признаком использования квантовых ресурсов является значение точности F> F class .

Не кубитом единым

Как утверждает телепортация не ограничивается кубитами, она может включать многомерные системы. Для каждого конечного измерения d можно сформулировать идеальную схему телепортации, используя базис максимально запутанных векторов состояния, который может быть получен из заданного максимально запутанного состояния и базиса {U k } унитарных операторов, удовлетворяющих tr(U † j U k) = dδ j,k . Такой протокол можно построить для любого конечноразмерного гильбертового пространства т. н. дискретно-переменных систем.

Кроме того, квантовая телепортация может распространяться и на системы с бесконечномерным гильбертовым пространством, называемыми непрерывно-переменными системами. Как правило, они реализуются оптическими бозонными модами, электрическое поле которых можно описать квадратурными операторами.

Скорость и принцип неопределенности

Какова скорость при квантовой телепортации? Информация передается на скорости, аналогичной скорости передачи того же количества классической - возможно, со Теоретически она может быть использована таким образом, каким классическая не может - например, в квантовых вычислениях, где данные доступны только получателю.

Нарушает ли квантовая телепортация В прошлом идея телепортации не очень серьезно воспринималась учеными, потому что считалось, что она нарушает принцип, запрещающий любому измерительному или сканирующему процессу извлекать всю информацию атома или другого объекта. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее объект сканируется, тем больше на него влияет процесс сканирования, пока не будет достигнута точка, когда исходное состояние объекта нарушится до такой степени, что больше нельзя будет получить достаточного количества информации для создания точной копии. Это звучит убедительно: если человек не может извлечь сведения из объекта для создания идеальной копии, то последняя сделана быть не может.

Квантовая телепортация для чайников

Но шесть ученых Жиль Брассар, Клод Крепо, Ричард Джоса, Ашер Перес и Уильям Вутерс) нашли способ обойти эту логику, используя знаменитую и парадоксальную особенность квантовой механики, известную как эффект Эйнштейна-Подольского-Розена. Они нашли способ отсканировать часть информации телепортируемого объекта А, а остальную непроверенную часть посредством упомянутого эффекта передать другому объекту С, в контакте с А никогда не пребывавшему.

В дальнейшем, путем применения к C воздействия, зависящего от отсканированной информации, можно ввести С в состояние А до сканирования. Сам А уже не в том состоянии, так как полностью изменен процессом сканирования, поэтому достигнутое является телепортацией, а не репликацией.

Борьба за дальность

• Первая квантовая телепортация была проведена в 1997 г. почти одновременно учеными из Университета Инсбрука и Университета Рима. Во время эксперимента исходный фотон, обладающий поляризацией, и один из пары запутанных фотонов подверглись изменению таким образом, что второй фотон получил поляризацию исходного. При этом оба фотона находились на расстоянии друг от друга.
• В 2012 г. состоялась очередная квантовая телепортация (Китай, Университет науки и технологии) через высокогорное озеро на расстояние 97 км. Команде ученых из Шанхая во главе с Хуаном Иинем удалось разработать наводящий механизм, который позволил точно нацелить пучок.
• В сентябре того же года была проведена рекордная квантовая телепортация на 143 км. Австрийские ученые из Академии наук Австрии и Университета Вены под руководством Антона Цайлингера успешно передали квантовые состояния между двумя Канарскими островами Ла Палма и Тенерифе. В эксперименте использовались две оптические линии связи на открытом пространстве, квантумная и классическая, частотно некоррелированная поляризационно запутанная пара фотонов-источников, сверхнизкошумные однофотонные детекторы и сцепленная тактовая синхронизация.
• В 2015 г. исследователи из американского Национального института стандартов и технологии впервые произвели передачу информации на расстояние более 100 км по оптоволокну. Это стало возможным благодаря созданным в институте однофотонным детекторам, использующим сверхпроводящие нанопровода из силицида молибдена.

Понятно, что идеальной квантовой системы или технологии пока не существует и великие открытия будущего еще впереди. Тем не менее можно попытаться определить возможных кандидатов в конкретных областях применения телепортации. Подходящая их гибридизация при условии совместимой базы и методов может обеспечить наиболее перспективное будущее для квантовой телепортации и ее применений.

Короткие дистанции

Телепортация на короткие расстояния (до 1 м) как подсистема квантовых вычислений перспективна на полупроводниковых устройствах, лучшим из которых является схема QED. В частности, сверхпроводящие трансмоновые кубиты могут гарантировать детерминированную и высокоточную телепортацию на чипе. Они также позволяют прямую подачу в режиме реального времени, которая выглядит проблематичной на фотонных чипах. К тому же они обеспечивают более масштабируемую архитектуру и лучшую интеграцию существующих технологий по сравнению с предыдущими подходами, такими как захваченные ионы. В настоящее время единственным недостатком этих систем, по-видимому, является их ограниченное время когерентности (<100 мкс). Эта проблема может быть решена с помощью интегрирования схемы QED с полупроводниковыми спин-ансамблевыми ячейками памяти (с азотно-замещенными вакансиями или легированными редкоземельными элементами кристаллами), которые могут обеспечить длительное время когерентности для квантового хранения данных. В настоящее время данная реализация является предметом приложения больших усилий научного сообщества.

Городская связь

Телепортационная связь в масштабе города (несколько километров) могла бы разрабатываться с использованием оптических мод. При достаточно низких потерях эти системы обеспечивают высокие скорости и ширину полосы. Они могут быть расширены от настольных реализаций до систем средней дальности, действующих через эфир или оптоволокно, с возможной интеграцией с ансамблевой квантовой памятью. Более дальние расстояния, но с более низкими скоростями могут быть достигнуты с помощью гибридного подхода или путем разработки хороших ретрансляторов, основанных на негауссовских процессах.

Дальняя связь

Междугородняя квантовая телепортация (более 100 км) является активной областью, но по-прежнему страдает от открытой проблемы. Кубиты поляризации - лучшие носители для низкоскоростной телепортации по длинным оптоволоконным линиям связи и через эфир, но в настоящее время протокол является вероятностным из-за неполного обнаружения Белла.

Хотя вероятностная телепортация и запутанности приемлемы для таких задач, как дистилляция запутывания и квантовая криптография, но это явно отличается от коммуникации, в которой входная информация должны быть полностью сохранена.

Если принять этот вероятностный характер, то спутниковые реализации находятся в пределах досягаемости современных технологий. Кроме интеграции методов отслеживания, основной проблемой становятся высокие потери, вызванные расплыванием пучка. Это может быть преодолено в конфигурации, где запутанность распределена от спутника до наземных телескопов с большой апертурой. Предполагая апертуру спутника в 20 см при 600-км высоте и 1-м диафрагму телескопа на земле, можно ожидать около 75 дБ потерь в канале нисходящей линии связи, что меньше, чем 80 дБ потерь на уровне земли. Реализации «земля-спутник» или «спутник-спутник» являются более сложными.

Квантовая память

Будущее использование телепортации в качестве составной части масштабируемой сети прямо зависит от ее интеграции с квантовой памятью. Последняя должна обладать превосходным, с точки зрения эффективности конверсии, интерфейсом «излучение-материя», точностью записи и считывания, временем хранения и пропускной способностью, высокой скоростью и емкостью запоминающего устройства. В первую очередь это позволит использовать ретрансляторы для расширения коммуникации далеко за рамки прямой передачи с использованием кодов коррекции ошибок. Развитие хорошей квантовой памяти позволило бы не только распределить запутывание по сети и телепортационную коммуникацию, но и связно обрабатывать хранимую информацию. В конечном итоге, это может превратить сеть во всемирно распределенный или основу для будущего квантового интернета.

Перспективные разработки

Атомные ансамбли традиционно считались привлекательными из-за их эффективного преобразования «свет-материя» и их миллисекундных сроков хранения, которые могут достигать 100 мс, необходимых для передачи света в глобальном масштабе. Тем не менее более перспективные разработки сегодня ожидаются на основе полупроводниковых систем, где отличная спин-ансамблевая квантовая память прямо интегрируется с масштабируемой архитектурой схемы QED. Эта память не только может продлить время когерентности цепи QED, но и обеспечить оптико-микроволновой интерфейс для взаимопревращения оптико-телекоммуникационных и чиповых микроволновых фотонов.

Таким образом, будущие открытия ученых в области квантового интернета, вероятно, будут основаны на дальней оптической связи, сопряженной с полупроводниковыми узлами для обработки квантовой информации.

Квантовая телепортация – одно из наиболее интересных и парадоксальных проявлений квантовой природы материи, вызывающее в последние годы огромный интерес специалистов и широкой публики. Термин телепортация взят из научной фантастики, однако в настоящее время широко используется в научной литературе. Квантовая телепортация означает мгновенный перенос квантового состояния из одной точки пространства в другую, удаленную на большое расстояние.

ЭПР-парадокс

В период активного развития квантовой теории, в 1935 году, в знаменитой работе Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена «Может ли квантово-механическое описание реальности быть полным?» был сформулирован так называемый ЭПР-парадокс (парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена).

В основе парадоксе лежит вопрос о том, может ли Вселенная быть разложена на отдельно существующие «элементы реальности» так, что каждый из этих элементов имеет своё математическое описание.

Авторы показали, что из квантовой теории следует: если есть две частицы A и B с общим прошлым (разлетевшиеся после столкновения или образовавшиеся при распаде некоторой частицы), то состояние частицы B зависит от состояния частицы A и эта зависимость должна проявляться мгновенно и на любом расстоянии. Такие частицы называют ЭПР-парой и говорят, что они находятся в «запутанном» состоянии.

В 1980 году Алан Аспект экспериментально показал, что в квантовом мире ЭПР-парадокс действительно имеет место. Специальные измерения состояния ЭПР-частиц A и B показали, что ЭПР-пара не просто связана общим прошлым, но частица B каким-то образом мгновенно «узнает» о том, как была измерена частица A (какую ее характеристику измеряли) и какой получился результат.

В 1993 году Чарльз Беннет и его коллеги придумали, как можно использовать замечательные свойства ЭПР-пар: они изобрели способ переноса квантового состояния объекта на другой квантовый объект с помощью ЭПР-пары и назвали этот способ квантовой телепортацией. А в 1997 году группа экспериментаторов под руководством Антона Цайлингера впервые осуществила квантовую телепортацию состояния фотона.

Экспериментальное подтверждение квантовой телепортации

Явление квантовой телепортации - передачи квантовой информации (например, направления спина частицы или поляризации фотона) на расстояние от одного носителя другому - уже наблюдалось на практике в случае двух фотонов, фотонов и группы атомов, а также двух атомов, посредником между которыми служил третий. Однако ни один из предложенных способов не годился для практического использования.

Наиболее реалистичной и легко реализуемой на этом фоне выглядит схема, предложенная специалистами из Университета Мэриленда (США) в 2008 году. Под руководством Кристофера Монро ученым удалось осуществить перемещение квантовой информации между двумя заряженными частицами (ионами иттербия), расположенными в метре друг от друга, причем показатель надежности доставки превысил 90 процентов. Каждый из них поместили в вакуум и удерживали на месте с помощью электрического поля. Затем с помощью сверхбыстрого лазерного импульса их заставили одновременно испустить фотоны, благодаря взаимодействию которых частицы вступили в состояние так называемой квантовой запутанности, и «атом В приобрел свойства атома А, несмотря на то, что они находились в разных камерах на расстоянии метра друг от друга».

«На основе нашей системы можно сконструировать крупномасштабный "квантовый повторитель", который будет использоваться для передачи информации на большие расстояния», - подытожил полученные результаты Кристофер Монро.

Наземная оптическая станция
Европейского космического агентства
на о. Тенерифе – место приема сигнала

В 2012 году ученые-физики из Венского университета и Австрийской академии наук успешно осуществили квантовую телепортацию на рекордное расстояние в 143 км - между двумя островами Канарского архипелага - Ла Пальма и Тенерифе. Предыдущий рекорд был поставлен за несколько месяцев до этого китайскими учеными, осуществившими телепортацию квантового состояния на 97 км. Специалисты уверены, что данные эксперименты позволят создать в будущем сеть спутниковой квантовой связи.

Эксперимент, проведенный международной командой ученых под руководством австрийского физика Антона Цайлингера, закладывает фундамент для всемирной информационной сети, в которой квантово-механические эффекты используются для того, чтобы сделать обмен сообщениями более безопасным, и обеспечить намного более эффективное выполнение некоторых типов вычислений. В этом «квантовом интернете» квантовая телепортация станет ключевым протоколом связи между квантовыми компьютерами.

В этом эксперименте квантовые состояния - но не материя или энергия – передаются на расстояние, которое, в принципе, может быть сколь угодно большим. Процесс может работать даже в том случае, если местоположение получателя неизвестно. Квантовая телепортация может использоваться как для передачи сообщений, так и для выполнения операций квантовыми компьютерами. Для реализации подобных задач необходимо обеспечить надежный способ передачи фотонов на большие дистанции, при котором их хрупкое квантовое состояние будет оставаться неизменным.

Перспективы применения квантовой телепортации

В различных странах обсуждаются программы по применению эффекта квантовой телепортации для создания квантовых оптических компьютеров, где носителями информации будут фотоны. Первые электронные компьютеры потребляли десятки киловатт энергии. Скорость работы квантовых компьютеров и объемы информации будут на десятки порядков превосходить таковые у существующих компьютеров. В будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети. Кстати, квантовые вирусы будут гораздо опаснее нынешних сетевых, так как после своей телепортации они смогут существовать вне компьютера. Квантовые компьютеры будут реализовывать «холодные» вычисления, работая практически без затрат энергии. Ведь трение, ведущее к бесполезному расходованию энергии, – понятие макроскопическое. В квантовом мире главный вредитель – шум, исходящий из некоррелированного взаимодействия объектов друг с другом.

К настоящему времени квантовая информатика обрела все признаки точной науки, включая систему определений, постулатов и строгих теорем. К числу последних относится, в частности, теорема о невозможности клонирования кубита*, строго доказанная с применением теории унитарного оператора квантовой эволюции. То есть невозможно, получив полную информацию о квантовом объекте A (изначально его состояние неизвестно), создать второй, точно такой же, объект, не разрушив первый. Дело в том, что создание двух кубитов – абсолютных копий друг друга – приводит к противоречию, которое можно было бы назвать парадоксом квантовых близнецов. Однако и без того ясно, что создание двух электронов в одном и том же квантовом состоянии невозможно в силу ограничения, накладываемого принципом Паули. Парадокс близнецов не возникает, если при клонировании снабжать копии отличительными признаками: пространственно-временными, фазовыми и др. Тогда генерацию лазерного излучения можно понимать как процесс клонирования фотона-затравки, попавшего в среду с оптическим усилением. Если же к квантовому копированию подходить строго, то рождение клона должно сопровождаться уничтожением оригинала. А это и есть телепортация.

______________________

* Кубит - «квантовый бит», единица квантовой информации, в которой хранится не дискретное состояние «0» или «1», а их суперпозиция - наложение состояний, которые с классической точки зрения не могут быть реализованы одновременно.

О квантовой природе человека

Человек – это не только то, что мы видим, а несравненно большее – то, что слышим, чувствуем, ощущаем. Все тело человека пронизано квантовой энергией, составляющей интеллектуальную сеть, коллективный разум не только мозга, но и остальных пятидесяти триллионов клеток организма, мгновенно реагирующая на малейшие проявления мыслей и эмоций, дающая возможность постоянным изменениям тонких вибраций.

Физика говорит, что основная ткань природы находится на квантовом уровне, гораздо глубже уровня атомов и молекул, это фундамент строительства. Квант – основная единица материи или энергии, в десятки миллионов раз меньше самого маленького атома. На этом уровне материя и энергия становятся равнозначными. Все кванты состоят из невидимых колебаний флуктуаций света – призраков энергии, – готовых принять физическую форму.

Человеческое тело – это вначале интенсивные, но невидимые колебания, называемые квантовыми флуктуациями, а уж потом объединенные в импульсы энергии и частицы материи. Квантовое тело является фундаментальной основой всего, из чего мы состоим: мыслей, эмоций, протеинов, клеток, органов, – в общем, всех видимых и невидимых компонентов.

На квантовом уровне тело посылает всевозможные виды невидимых сигналов, ожидая, что мы их примем. Все процессы и органы в нашем теле имеют свой квантовый эквивалент. Наше сознание способно обнаружить тонкие вибрации благодаря невероятной чувствительности своей нервной системы, которая принимает, передает и затем усиливает их таким образом, что наши органы чувств начинают воспринимать эти сигналы. И мы относим все это к интуиции.

Мы все склонны рассматривать свои тела как застывшие скульптуры – жесткие, неподвижные материальные объекты – в это время как на самом деле они более похожи на реки, постоянно меняющие рисунок нашего интеллекта. Каждый год 98 % атомов вашего организма заменяются новыми. Этот поток изменений контролируется на квантовом уровне системой тело – сознание.

На квантовом уровне ни одна часть тела не живет в отрыве от остальных. Когда человек счастлив, химические вещества, выделяемые мозгом, «путешествуют» по всему телу, сообщая каждой клеточке об ощущении счастья. Дурное настроение также передается химическим путем каждой клеточке, ослабляя деятельность иммунной системы. Все что мы думаем и делаем, возникает сначала в глубинах квантового тела, а затем всплывает на поверхность жизни.

Человек может научить свое сознание управлять собой на этом тонком уровне; по существу, то, что он называет мыслями и эмоциями, является лишь выражением этих квантовых флуктуаций. Мысль человеческая – это своего рода акт квантовой телепортации, посылка квантового пакета от одного объекта другому объекту, находящемуся на произвольном расстоянии. Такая передача информации возможна за счет эффекта «запутывания», где два объекта «знают» о существовании друг друга. Мысль, как только получает ориентир, отправляется в путь к объекту исследования и может определить его любой параметр и состояние, и уже в голове на экране флюидного зрения мгновенно отображает показатели работы исследуемого, а мозг оценивает и распознает, вынося свои суждения.

«Телепортация» мысли в окружающее пространство

В своей книге «Квантовая магия» С.И. Доронин проводит интересную аналогию между исследованиями в области квантовой телепортации и особенностями человеческой психики, имеющей квантовую природу. В частности, он отмечает:

«... при построении квантового коммутатора предполагается наличие определенного числа (N) пользователей и центрального коммутатора, с которым все они соединены квантовым каналом связи. Принципиальную схему работы такого коммутатора можно объяснить следующим образом. Пусть у каждого пользователя есть (в простейшем случае) одна максимально запутанная пара. Они отдают одну частицу из своей пары на центральный коммутатор, в котором происходит их объединение. В этом случае все оставшиеся у пользователей частицы оказываются квантово-запутанными. Все N частиц, которые по-прежнему у них остаются, становятся квантово-коррелированными, то есть все пользователи объединены квантовыми корреляциями, они как бы «включены» в единую квантовую сеть и могут «телепатически» общаться друг с другом.

Квантовый коммутатор, описанный выше, можно считать простейшей физической моделью, иллюстрирующий работу эгрегоров (эзотерический термин) и демонов (в религиозной традиции). Когда мы отдаем «в общее пользование» свои мысли и эмоции, то тем самым оказываемся «включенными» в различные «квантовые коммутаторы» в соответствии с направленностью своих мыслей и чувств. Чтобы эгрегор (демон) «заработал» в качестве квантового коммутатора и начал свое существование как объективный элемент реальности («энергетический сгусток» в квантовом ореоле Земли), достаточно того, чтобы «психические выделения» у нескольких человек были одинаковы (или близки). В целом, чтобы между различными системами было взаимодействие, они должны иметь одинаковые состояния. Тогда переходы между этими состояниями и, как следствие, генерация и поглощение энергии будут приводить к взаимодействию и корреляциям. Одинаковые энергии будут способны к взаимодействию. Причем чем меньше разность энергии между уровнями, чем слабее классические взаимодействия, тем больше в этом случае относительная величина квантовых корреляций. Например, мы все имеем примерно одинаковые наборы базисных эмоциональных и ментальных состояний, поэтому однонаправленные мысли и эмоции (то есть переход нескольких людей в определенное ментальное или эмоциональное состояние) автоматически ведут к генерации близких энергетических потоков и к взаимодействию на этих уровнях. Другими словами – к образованию новых или подпитке уже существующих «квантовых коммутаторов» – эгрегоров (демонов). Эмоции при этом содержат больше энергии, но меньше квантовой информации, мысли – наоборот, меньше энергии, но больше квантовой информации (мера запутанности выше).

Индивидуальное сознание должно уметь целенаправленно оперировать в том пространстве состояний, до которого оно добралось (изменять вектор состояния на достигнутом уровне). Умение изменять весь вектор состояния на каком-то уровне реальности дает возможность менять ее на всех более низких (плотных) уровнях. Практически это означает, что сознание умеет нужным образом перераспределять энергию, управляя энергетическими потоками. Замечу, что изменение состояния – это и есть изменение энергии, поскольку в квантовой механике она является функцией состояния».

По материалам Интернет-изданий

Квантовая телепортация - это телепортирование не физических объектов, не энергии, а состояния. Но в данном случае состояния передаются таким образом, каким в классическом представлении это сделать невозможно. Как правило, для передачи информации о каком-то объекте требуется большое количество всесторонних измерений. Но они разрушают квантовое состояние, и у нас нет возможности повторно его измерить. Квантовая телепортация используется для того, чтобы передать, перенести некое состояние, обладая минимальной информацией о нем, не «заглядывая» в него, не измеряя и тем самым не нарушая.

Кубиты

Это пример получения информации классическим способом. Получив большое количество данных, адресат может воссоздать это состояние. Однако квантовая механика позволяет не готовить много состояний. Представим себе, что оно у нас есть только одно, уникальное, а второго такого нет. Тогда в классике передать его уже не получится. Физически, напрямую, это тоже не всегда возможно. А в квантовой механике мы можем использовать эффект запутанности.

Мы также используем явление квантовой нелокальности, то есть явление, которое невозможно в привычном для нас мире, для того чтобы здесь это состояние исчезло, а там появилось. Причем самое интересное, что применительно к тем же квантовым объектам существует теорема о неклонировании. То есть невозможно создать второе идентичное состояние. Надо уничтожить одно, чтобы появилось другое.

Квантовая запутанность

Квантовый случай отличается тем, что состояние, которое пришло ко мне до измерения, не синее и не зеленое - оно в суперпозиции синего и зеленого. После того как вы разделили ботинки, результат уже предопределен. Пока мешки несут, пока их еще не открыли, но уже точно понятно, что там будет. А пока квантовые объекты не измерены, еще ничего не решилось.

Если взять не цвет, а поляризацию, то есть направление колебаний электрического поля, можно выделить два варианта: вертикальная и горизонтальная поляризация и +45° - -45°. Если сложить вместе в равной пропорции горизонтальную и вертикальную, то получится +45°, если вычесть одну из другой, то -45°. Теперь представим, что точно так же один фотон попал ко мне, а другой к вам. Я посмотрел: он вертикальный. Значит, у вас горизонтальный. Теперь представим, что я увидел вертикальный, а вы посмотрели его в диагональном базисе, то есть посмотрели - он +45° или -45°, вы увидите с равной вероятностью тот ли иной исход. Но если я посмотрел в диагональном базисе и увидел +45°, то точно знаю, что у вас -45°.

Парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена

Но на самом деле теорию относительности это не нарушает, потому что информацию с помощью этого эффекта мы передать все равно не можем. Измеряется либо вертикальный, либо горизонтальный фотон. Но неизвестно заранее, какой именно он будет. Несмотря на то что нельзя передавать информацию быстрей скорости света, запутанность позволяет реализовать протокол квантовой телепортации. В чем он заключается? Рождается запутанная пара фотонов. Одна направляется к передатчику, другая - к приемнику. Передатчик производит совместное измерение целевого фотона, который он должен передать. И с вероятностью ¼ он получит результат OK. Он может сообщить об этом получателю, и получатель в этот момент узнает, что у него точно такое же состояние, как было у передатчика. А с вероятностью ¾ он получает другой результат - не то чтобы неуспешное измерение, а просто другой результат. Но в любом случае это полезная информация, которую можно передать получателю. Получатель в трех из четырех случаев должен произвести дополнительный поворот своего кубита, чтобы получить передаваемое состояние. То есть передается 2 бита информации, и при помощи них можно телепортировать сложное состояние, которое ими закодировать нельзя.

Квантовая криптография

У этой технологии есть один большой недостаток. Дело в том, что, как мы уже раньше говорили, создать копию фотона невозможно. Обычный сигнал в оптоволокне можно усилить. Для квантового случая усилить сигнал невозможно, так как усиление будет эквивалентно некоторому перехватчику. В реальной жизни, в реальных линиях передача ограничена расстоянием приблизительно до 100 километров. В 2016 году Российским квантовым центром была проведена демонстрация на линиях Газпромбанка, где показали квантовую криптографию на 30 километрах волокна в городских условиях.

В лаборатории мы способны показывать квантовую телепортацию на расстоянии до 327 километров. Но, к сожалению, большие расстояния непрактичны, потому что фотоны теряются в волокне и скорость получается очень низкая. Что делать? Можно поставить промежуточный сервер, который будет получать информацию, расшифровывать, потом снова зашифровывать и передавать дальше. Так делают, например, китайцы при строительстве своей сети квантовой криптографии. Такой же подход используют и американцы.

Квантовая телепортация в данном случае - это новый метод, который позволяет решить задачу квантовой криптографии и увеличить расстояние до тысяч километров. И в этом случае тот самый фотон, который передается, многократно телепортируется. Над этой задачей работает множество групп во всем мире.

Квантовая память

В квантовой криптографии это своего рода промежуточная станция. Называются такие станции квантовыми повторителями, и они сейчас являются одним из основных направлений для исследований и экспериментов. Это популярная тема, в начале 2010-х повторители были очень отдаленной перспективой, но сейчас задача выглядит реализуемой. Во многом потому, что техника постоянно развивается, в том числе за счет телекоммуникационных стандартов.

Ход эксперимента в лаборатории

Исходное состояние готовится лазером. Для подготовки запутанных состояний используется нелинейный кристалл, который накачивается импульсным или непрерывным лазером. За счет нелинейных эффектов рождаются пары фотонов. Представим себе, что у нас есть фотон энергии два - ℏ(2ω), он преобразуется в два фотона энергии один - ℏω+ ℏω. Эти фотоны рождаются только вместе, не может сначала отделиться один фотон, потом другой. И они связаны (запутаны) и проявляют неклассические корреляции.

История и актуальные исследования

Квантовая телепортация была предложена теоретически в 1993 году группой американских ученых под руководством Чарльза Беннета - тогда и появился этот термин. Первая экспериментальная реализация была проведена в 1997 году сразу двумя группами физиков в Инсбруке и Риме. Постепенно ученым удавалось передавать состояния на все большее расстояние - от одного метра до сотен километров и более.

Сейчас люди пытаются делать эксперименты, которые, возможно, в будущем станут основой для квантовых повторителей. Ожидается, что спустя 5–10 лет мы увидим реальные квантовые повторители. Развивается и направление передачи состояния между объектами разной природы, в том числе в мае 2016 года была проведена гибридная квантовая телепортация в Квантовом центре, в лаборатории Александра Львовского. Теория тоже не стоит на месте. В том же Квантовом центре под руководством Алексея Федорова разрабатывается протокол телепортации уже не в одну сторону, а двунаправленный, чтобы с помощью одной пары сразу одновременно навстречу друг другу телепортировать состояния.

В рамках нашей работы над квантовой криптографией создается квантовое устройство распределения и ключа, то есть мы генерируем ключ, который невозможно перехватить. А дальше уже пользователь может зашифровать этим ключом информацию, используя так называемый одноразовый блокнот. Новые преимущества квантовых технологий должны раскрыться в ближайшее десятилетие. Развивается создание квантовых сенсоров. Их суть в том, что за счет квантовых эффектов мы можем гораздо точнее измерять, например, магнитное поле, температуру. То есть берутся так называемые NV-центры в алмазах - это крошечные алмазы, в них есть азотные дефекты, которые ведут себя квантовые объекты. Они очень похожи на замороженный одиночный атом. Смотря на этот дефект, можно наблюдать изменения температуры, причем и внутри одиночной клетки. То есть измерить не просто температуру под мышкой, а температуру органеллы внутри клетки.

Квантовая механика очень сильно изменила человеческую жизнь. Полупроводники, атомная бомба, атомная энергетика - это все объекты, работающие благодаря ей. Весь мир сейчас бьется над тем, чтобы начать управлять квантовыми свойствами одиночных частиц, в том числе запутанных. Например, в телепортации участвуют три частицы: одна пара и целевая. Но каждая из них управляется отдельно. Индивидуальное управление элементарными частицами открывает новые горизонты для техники, в том числе квантовый компьютер.

Юрий Курочкин , кандидат физико-математических наук, глава лаборатории квантовых коммуникаций Российского квантового центра.

Теги:

Такую машину-телепорт построили в фильме «Контакт». С ее помощью героиня Джоди Фостер совершила путешествие в другой мир, а может — и нет…

В фантастических мирах, придуманных писателями и сценаристами, телепортация давно стала стандартной транспортной услугой. Кажется, сложно найти настолько же быстрый, удобный и в то же время интуитивно понятный способ перемещения в пространстве.

Красивую идею телепортации поддерживают и ученые: еще основатель кибернетики Норберт Винер в своей работе «Кибернетика и общество» посвятил «возможности путешествовать при помощи телеграфа» целую главу. С тех пор прошло полвека, и за это время мы почти вплотную приблизились к мечте человечества о таких путешествиях: в нескольких лабораториях мира осуществлена успешная квантовая телепортация.

Основы

Почему телепортация именно квантовая? Дело в том, что квантовые объекты (элементарные частицы или атомы) обладают специфическими свойствами, которые обусловлены законами квантового мира и в макромире не наблюдаются. Именно такие свойства частиц и послужили основой экспериментов по телепортации.

ЭПР-парадокс

В период активного развития квантовой теории, в 1935 году, в знаменитой работе Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена «Может ли квантово-механическое описание реальности быть полным?» был сформулирован так называемый ЭПР-парадокс (парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена).

Авторы показали, что из квантовой теории следует: если есть две частицы A и B с общим прошлым (разлетевшиеся после столкновения или образовавшиеся при распаде некоторой частицы), то состояние частицы B зависит от состояния частицы A и эта зависимость должна проявляться мгновенно и на любом расстоянии. Такие частицы называют ЭПР-парой и говорят, что они находятся в «запутанном» состоянии.

Прежде всего напомним, что в квантовом мире частица — это объект вероятностный, то есть она может находиться в нескольких состояниях одновременно — например, может быть не просто «черной» или «белой», а «серой». Однако при измерении такой частицы мы всегда увидим только одно из возможных состояний — «черное» или «белое», причем с определенной предсказуемой вероятностью, а все остальные состояния при этом разрушатся. Более того, из двух квантовых частиц можно создать такое «запутанное» состояние, что все будет еще интереснее: если одна из них окажется при измерении «черной», то другая — непременно «белой», и наоборот!

Чтобы разобраться, в чем же заключается парадокс, сначала проведем опыт с макроскопическими объектами. Возьмем два ящика, в каждом из которых лежат по два шара — черный и белый. И отвезем один из этих ящиков на Северный полюс, а другой на Южный.

Если мы вынем на Южном полюсе один из шаров (например, черный), то это никак не повлияет на результат выбора на Северном полюсе. Совершенно не обязательно, что там нам в этом случае попадется именно белый шар. Этот простой пример подтверждает, что наблюдать ЭПР-парадокс в нашем мире невозможно.

Но в 1980 году Алан Аспект экспериментально показал, что в квантовом мире ЭПР-парадокс действительно имеет место. Специальные измерения состояния ЭПР-частиц A и B показали, что ЭПР-пара не просто связана общим прошлым, но частица B каким-то образом мгновенно «узнает» о том, как была измерена частица A (какую ее характеристику измеряли) и какой получился результат. Если бы речь шла об упомянутых выше ящиках с четырьмя шарами, то это означало бы, что вынув на Южном полюсе черный шар, на Северном полюсе мы непременно должны вынуть белый! Но ведь взаимодействия между A и B нет и сверхсветовая передача сигнала невозможна! В последующих экспериментах существование ЭПР-парадокса подтверждалось, даже если частицы ЭПР-пары были удалены друг от друга на расстояние порядка 10 км.

Эти совершенно невероятные с точки зрения нашей интуиции опыты легко объясняются квантовой теорией. Ведь ЭПР-пара как раз представляет собой две частицы в «запутанном» состоянии, а значит, результат измерения, например, частицы A определяет результат измерения частицы B.

Интересно, что Эйнштейн считал им же предсказанное поведение частиц в ЭПР-парах «действием демонов на расстоянии» и был уверен, что ЭПР-парадокс лишний раз демонстрирует несостоятельность квантовой механики, которую ученый отказывался принимать. Он полагал, что объяснение парадокса неубедительно, ведь «если согласно квантовой теории наблюдатель создает или может частично создавать наблюдаемое, то мышь может переделать Вселенную, просто посмотрев на нее».

Эксперименты по телепортации

В 1993 году Чарльз Беннет и его коллеги придумали, как можно использовать замечательные свойства ЭПР-пар: они изобрели способ переноса квантового состояния объекта на другой квантовый объект с помощью ЭПР-пары и назвали этот способ квантовой телепортацией. А в 1997 году группа экспериментаторов под руководством Антона Цайлингера впервые осуществила квантовую телепортацию состояния фотона. Схема телепортации подробно описана на врезке.

Ограничения и разочарования

Принципиально важно, что квантовая телепортация — это перенос не объекта, а только неизвестного квантового состояния одного объекта на другой квантовый объект. Мало того, что квантовое состояние телепортируемого объекта так и остается для нас тайной, оно к тому же необратимо разрушается. Но в чем мы можем быть совершенно уверены, так это в том, что получили идентичное состояние другого объекта в другом месте.

Тех, кто рассчитывал, что телепортация будет мгновенной, ждет разочарование. В способе Беннета для успешной телепортации необходим классический канал связи, а значит, и скорость телепортации не может превышать скорость передачи данных по обычному каналу.

И пока совершенно неизвестно, удастся ли перейти от телепортации состояний частиц и атомов к телепортации макроскопических объектов.

Применение

Практическое применение для квантовой телепортации нашлось быстро — это квантовые компьютеры, где информация хранится в виде набора квантовых состояний. Тут квантовая телепортация оказалась идеальным способом передачи данных, который принципиально исключает возможность перехвата и копирования передаваемой информации.

Дойдет ли очередь до человека?

Несмотря на все современные достижения в области квантовой телепортации, перспективы телепортации человека остаются весьма туманными. Конечно, хочется верить, что ученые что-нибудь придумают. Еще в 1966 году в книге «Сумма технологии» Станислав Лем писал: «Если нам удастся синтезировать из атомов Наполеона (при условии, что в нашем распоряжении имеется его «поатомная опись»), то Наполеон будет живым человеком. Если снять подобную опись с любого человека и передать ее «по телеграфу» на приемное устройство, аппаратура которого на основе принятой информации воссоздаст тело и мозг этого человека, то он выйдет из приемного устройства живым и здоровым».

Однако практика в этом случае намного сложнее теории. Так что нам с вами вряд ли придется попутешествовать по мирам с помощью телепортации, а тем более — с гарантированной безопасностью, ведь достаточно одной ошибки и можно превратиться в бессмысленный набор атомов. Вот опытный галактический инспектор из романа Клиффорда Саймака знает в этом толк и не зря считает, что «те, кто берется за передачу материи на расстояние, должны бы прежде научиться делать это как положено».

Квантовый мир очень далек от нашего, поэтому его законы часто кажутся нам странными и контринтуитивными. Однако важные новости из квантовой физики приходят , так что иметь о них правильное представление сейчас необходимо - иначе работа физиков в наших глазах превращается из науки в магию и обрастает мифами. Яркий пример - квантовая телепортация , вокруг которой накопилось столько недопонимания, что даже научные журналисты обычно не могут описать такие эксперименты корректно. С объяснения того, что такое квантовая телепортация на самом деле, а чем она не является, мы начинаем серию материалов, подготовленных в сотрудничестве с Российским квантовым центром. Сегодня на наши вопросы отвечает Александр Львовский , сотрудник РКЦ и профессор Университета Калгари.

Что такое квантовая телепортация, кто ее придумал, как выглядит самый первый и простой подобный эксперимент?

Квантовая телепортаци - это когда квантовое состояние некоторого физического объекта (например, фотона) передается на идентичный объект, находящийся в другом месте, без использования прямого переноса квантовой частицы.

Идея квантовой телепортации была предложена в 1993 году группой теоретиков, включающей в себя Чарльза Беннетта и Жила Брассарда - тех самых, которые в 1984 году предложили квантовую криптографию. Что касается экспериментальных приоритетов, то он оспаривается между двумя группами. Первый эксперимент по телепортации фотонов был сделан группой профессора Франческо Де Мартини в Риме. Однако статья, посланная им в журнал, была «завернута» рецензентами под техническими предлогами. Поэтому первой вышла другой группы - профессора Антона Цайлингера в Иннсбруке (Австрия).

По традиции, партнеров, находящихся на двух концах квантовой линии связи, называют Алиса и Боб. Так вот, для того, чтобы телепортировать фотон от Алисы к Бобу, им нужно дополнительно приготовить и обменяться парой фотонов в запутанном состоянии. Таким образом, вначале у Алисы два фотона: тот, который она хочет телепортировать и один из двух запутанных, а у Боба - второй из этих двух. В ходе телепортации Алиса измеряет квантовое состояние обоих из своих фотонов и передает полученный результат Бобу.

Что значит «измеряет квантовое состояние»? Как это делается в эксперименте?

Если речь идет о состояниях оптической поляризации (то есть в какой плоскости колеблется поле электромагнитной волны), то используются так называемые поляризационные светоделители. Это такой стеклянный кубик, который пропускает горизонтально поляризованные фотоны и отражает на угол 90 градусов - вертикально поляризованные. Если фотон поляризован как-то по-другому, то есть находится в суперпозиции вертикального и горизонтального состояний, то он случайным образом пройдет насквозь либо отразится, с определенной вероятностью. За кубиком, в каналах пропускания и отражения, ставят детекторы одиночных фотонов, которые генерируют электрические импульсы при попадании на них квантов света.

Откуда берутся запутанные пары фотонов и что именно у них запутано?

Запутанные пары фотонов образуются в специальных кристаллах. Замечательное свойство таких кристаллов заключается в том, что они могут «делить» фотоны. Если пропустить через них мощный лазерный луч, то некоторые фотоны в этом луче распадутся на пары фотонов меньшей энергии. Эти пары могут быть запутаны по различным параметрам, не только по поляризации - по частотам, временам генерации, направлениям эмиссии.

Что такое вообще запутанные частицы? Например, мы взяли пару фотонов, разнесли их на расстояние и измерили состояние одного из них. Со вторым что-то в этот момент произошло? Или мы просто что-то узнали о нем, как в эксперименте с двумя шариками, которые можно бросить в мешок, вытащить один и точно узнать какой остался?

Запутанное состояние - это состояние суперпозиции, в котором одновременно находятся два отдельных квантовых объекта. Например, суперпозиция состояний двух фотонов, в первом из которых фотон Алисы имеет горизонтальную поляризацию, а фотон Боба вертикальную, а во втором - наоборот, является запутанной.

Квантовые свойства запутанных объектов являются коррелированными. Это означает не просто, что если один из партнеров обнаружит фотон в горизонтальной поляризации, поляризация второго окажется вертикальной (подобная корреляция встречается и у классических объектов, таких, как упомянутые Вами шарики в мешке). В случае квантовой корреляции, какой бы угол поляризации ни обнаружила Алиса, Боб непременно обнаружит поляризацию, ортогональную Алисе. По сравнению с шариками разница в том, что они имеют определенный цвет сами по себе - еще до того, как мы их увидели. С квантовым объектом дело обстоит иначе - нельзя сказать, что они имеют какую-то поляризацию до того, как мы ее измерили. До измерения они находятся в суперпозиции разных поляризаций.

Допустим, например, что Алиса поставила на пути своего фотона поляризационный светоделитель, наклоненный под углом 30 градусов, и обнаружила, что детектор, расположенный непосредственно за ним, «щелкнул». Это означает, что фотон прошел через светоделитель - Алиса детектировала фотон с поляризацией 30 градусов. Тогда, если Боб проделает аналогичное измерение, его светоделитель фотон с определенностью отразит, показывая, что поляризация фотона Боба 120 градусов. Получается, что Алиса, меняя угол своего светоделителя, может дистанционно приготавливать фотон Боба в определенном состоянии - как бы далеко Боб ни находился, мгновенно и без всякого взаимодействия ! Это явление называется квантовой нелокальностью. К сожалению, используя нелокальность невозможно передавать информацию на расстояние (иначе такая коммуникация была бы мгновенной, что противоречит специально теории относительности да и вообще здравому смыслу). Однако это можно использовать для телепортации и она СТО не противоречит.

Разобрались с запутанными парами, теперь - как нам провести квантовую телепортацию?

В телепортации используется более сложная разновидность нелокальности. Алиса делает совместное измерение над парой фотонов, которые у нее «в руках» - первоначальным фотоном (который она хочет телепортировать) и тем, что входит в запутанную пару.

Тогда фотон Боба преобразуется в состояние с поляризацией, идентичной первоначальной поляризации фотона Алисы, или такой, которая может быть приведена к этой поляризации простой операцией. Фотон Алисы при этом разрушается, благодаря чему соблюдается запрет на квантовое клонирование.

Это же обман, телепортируется только состояние частицы, а не сама частица. Почему же тогда это называется телепортацией?

Во-первых, квантовая телепортация - это физический термин, имеющий строго определенное значение, а «обычная» телепортация - термин из фантастической литературы. Так что это, вообще говоря, разные понятия. Однако следует помнить, что все на свете, - включая тело человека - по большому счету сводимо к неразличимым частицам. Мы состоим из кислорода, водорода и углерода, с небольшой добавкой других химических элементов. 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. Он будет физически неотличим от оригинала за исключением своего положения в пространстве (ведь идентичные квантовые частицы неразличимы). 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.

Хорошо, а зачем вообще что-то телепортировать?

Телепортация макроскопических объектов - например, людей - не входит в число насущных задач квантовой технологии. Однако телепортация квантовых состояний микроскопических частиц - фотонов, атомов - оказывается полезной для квантовых информационных технологий. Например, она является важной составляющей определенных моделей квантовых компьютеров и повторителей (репитеров).

И как с помощью телепортации можно сделать связь?

Квантовая связь основана на кодировании битов в состояниях отдельных фотонов. В современных системах квантовой связи эти фотоны передаются от Алисе к Бобу напрямую по оптоволоконному каналу. Проблема в том, что в таких каналах есть существенные потери: половина всех фотонов теряется каждые 10-15 км. Это ограничивает практическую дальность передачи где-то сотней километров. Эту трудность, однако, можно обойти, если не передавать фотоны напрямую, а телепортировать их. Тогда фотону Алисы придется преодолеть лишь небольшое расстояние.

И как, это удается на практике? Какая скорость, дальность телепортации, что с репитерами?

Не вдаваясь в технические подробности, скажу, что для осуществления такой схемы необходимо уметь не только телепортировать квантовые состояния фотонов, но и сохранять их неизменными в течение относительно длительного времени (хотя бы нескольких миллисекунд). Для этого необходимо разработать квантовую ячейку памяти для фотонов, а такого прибора с необходимыми параметрами пока у нас нет. Поэтому квантовый повторитель пока не реализован. Однако надеюсь, что мы преодолеем трудности в течении ближайших нескольких лет.

Какие главные проблемы стоят перед квантовой телепортацией, что нам сулит их решение?

Для реализации «квантового интернета» и других квантовых информационных технологий нам нужно научиться переносить квантовые состояния между объектами различной физической природы - фотонами, атомами, квантовыми точками, сверхпроводящими цепями и так далее.

Подготовил Александр Ершов