Телепортация частицы. Квантовая азбука: «Телепортация
В июне 2013 года группе физиков под руководством Юджина Ползика удалось провести эксперимент по детерминистской телепортации коллективного спина 10 12 атомов цезия на полметра. Эта работа попала на обложку Nature Physics . Почему это действительно важный результат, в чем заключались экспериментальные сложности и, наконец, что такое «детерминистская квантовая телепортация» «Ленте.ру» рассказал сам профессор и член исполнительного комитета Российского квантового центра (РКЦ) Юджин Ползик.
«Лента.ру»: Что такое «квантовая телепортация»?
Чтобы понять, чем квантовая телепортация отличается от того, что мы видим, например, в сериале Star Trek, нужно понимать одну простую вещь. Наш мир устроен таким образом, что, если мы хотим что-то узнать о чем угодно, то в мельчайших деталях мы всегда будем делать ошибки. Если мы, допустим, возьмем обычный атом, то одновременно измерить скорость движения и позицию электронов в нем не удастся (это то, что называется принципом неопределенности Гейзенберга). То есть нельзя представить результат в виде последовательности нулей и единиц.
В квантовой механике, однако, уместно задать такой вопрос: даже если результат нельзя записать, то, может быть, его все равно можно переслать? Этот процесс пересылки информации за пределами точности, допустимой классическими измерениями, и называется квантовой телепортацией.
Когда впервые появилась квантовая телепортация?
Юджин Ползик, Профессор института Нильса Бора, Университет Копенгагена (Дания), член исполнительного комитета Российского квантового центра
B 1993 году шесть физиков - Беннет, Броссар и другие - написали в Physical Review Letters статью (pdf), в которой и придумали замечательную терминологию для квантовой телепортации. Замечательную еще и потому, что на публику эта терминология с тех пор оказывает исключительно положительное влияние. В их работе протокол передачи квантовой информации был описан чисто теоретически.
В 1997 году была осуществлена первая квантовая телепортация фотонов (на самом деле экспериментов было два - группы Заиллингера и Де Mартини; Заиллингера просто больше цитируют). В работе они телепортировали поляризацию фотонов - направление этой поляризации суть квантовая величина, то есть такая величина, которая принимает различные значения с разной вероятностью. Как оказалось, измерить эту величину нельзя, а вот телепортировать можно.
Тут надо вот что учесть: в экспериментах Заиллингера и Де Mартини телепортация была вероятностной, то есть работала с некоторой вероятностью успеха. Им удалось достичь вероятности не меньше 67 (2/3) процентов - то, что по-русски уместно назвать классическим пределом.
Телепортация, о которой идет речь, получила название вероятностной. В 1998 году мы в Калифорнийском технологическом институте сделали так называемую детерминистскую телепортацию. У нас телепортировались фаза и амплитуда светового импульса. Они, как говорят физики, так же как скорость и местоположение электрона, являются «некоммутирующими переменными», поэтому подчиняются уже упоминавшемуся принципу Гейзенберга. То есть не допускают одновременное измерение.
Атом можно представить себе в виде маленького магнита. Направление этого магнита и есть направление спина. Управлять ориентацией такого «магнита» можно с помощью магнитного поля и света. У фотонов - частиц света - тоже есть спин, который еще называют поляризацией.
В чем разница между вероятностной и детерминистской телепортациями?
Чтобы ее объяснить, сперва надо чуть подробнее поговорить про телепортацию. Представьте, что в пунктах A и B расположены атомы, для удобства - по одной штуке. Мы хотим телепортировать, скажем, спин атома из A в B, то есть привести атом в пункте B в такое же квантовое состояние, что и атом A. Как я говорил уже, для этого одного классического канала связи недостаточно, поэтому потребуются два канала - один классический, другой квантовый. В качестве переносчика квантовой информации у нас выступают кванты света.
Сначала мы пропускаем свет через атом B. Происходит процесс запутывания, в результате чего между светом и спином атома устанавливается связь. Когда свет приходит в А, то можно считать, что между двумя пунктами установился квантовый канал связи. Свет, проходя через A, считывает информацию с атома и после этого свет ловится детекторами. Именно этот момент можно считать моментом передачи информации по квантовому каналу.
Теперь остается передать результат измерений по классическому каналу в B, чтобы там, на основе этих данных, выполнили некоторые преобразования над спином атома (например, поменяли магнитное поле). В результате, в точке B атом получает спиновое состояние атома A. Телепортация завершена.
В реальности, однако, фотоны, путешествуя по квантовому каналу, теряются (например, если этот канал - обычное оптоволокно). Главное отличие между вероятностной и детерминистской телепортациями как раз и заключается в отношении к этим потерям. Вероятностной все равно, сколько там потерялось - если из миллиона фотонов хотя бы один дошел, то уже хорошо. В этом смысле, конечно, она больше подходит для пересылки фотонов на большие расстояния (в настоящее время рекорд составляет 143 километра - прим. «Ленты.ру» ). Детерминистская же телепортация к потерям относится хуже - вообще говоря, чем выше потери, тем хуже качество телепортации, то есть на принимающем конце провода получается не совсем исходное квантовое состояние - но зато она работает каждый раз, когда, если сказать грубо, нажимаешь на кнопку.
Запутанное состояние света и атомов по сути представляет собой запутанное состояние их спинов. Если спины, скажем, атома и фотона запутаны, то измерения их параметров, как говорят физики, коррелируют. Это означает, что, например, если измерение спина фотона показало, что он направлен вверх, то спин атома будет направлен вниз; если спин фотона оказался направлен вправо, то спин атома будет направлен влево и так далее. Фокус заключается в том, что до измерения ни у фотона, ни у атома определенного направления спина нет. Как получается, что, несмотря на это, они коррелируют? Тут как раз и должна начать «кружиться голова от квантовой механики», как говорил Нильс Бор.
Юджин Ползик
И как у них различаются сферы применения?
Вероятностная, как я говорил, подходит для передачи данных на большие расстояния. Скажем, если в будущем мы захотим построить квантовый интернет, то нам потребуется именно телепортация такого типа. Что касается детерминистской, то она может быть полезна для телепортации каких-нибудь процессов.
Тут сразу надо пояснить: сейчас такой прямо уж четкой границы между этими двумя видами телепортации нет. Например, в Российском квантовом центре (и не только в нем), разрабатываются «гибридные» системы квантовых коммуникаций, где частично используется вероятностный, а частично - детерминистский подходы.
В нашей же работе телепортация процесса была такой, знаете, стробоскопической - речь о непрерывной телепортации пока не идет.
То есть это дискретный процесс?
Да. На самом деле телепортация состояния, она, естественно, может произойти только один раз. Одна из вещей, которые квантовая механика запрещает, - это клонирование состояний. То есть если вы телепортировали что-то, то вы это уничтожили.
Расскажите о том, что удалось сделать вашей группе.
У нас был ансамбль атомов цезия, и телепортировали мы коллективный спин системы. Газ у нас находился под воздействием лазера и магнитного поля, поэтому спины атомов были ориентированы примерно одинаково. Неподготовленный читатель может это представлять себе так - наш коллектив есть большая магнитная стрелка.
У стрелки есть неопределенность направления (это и значит, что спины ориентированы «примерно» одинаково), та самая гейзенбергова. Измерить направление этой неопределенности точнее невозможно, а вот телепортировать положение - вполне. Величина этой неопределенности составляет единицу на квадратный корень из числа атомов.
Тут важно сделать вот какое отступление. Моя любимая система - это газ атомов при комнатной температуре. Проблема с этой системой такая: при комнатных температурах квантовые состояния быстро разваливаются. У нас же, однако, эти спиновые состояния живут очень долго. И удалось этого добиться благодаря сотрудничеству с учеными из Санкт-Петербурга.
Они разработали покрытия, которые по-научному называются алкеновыми. По сути это что-то очень похожее на парафин. Если напылить такое покрытие на внутреннюю часть стеклянной ячейки с газом, то молекулы газа летают (со скоростью 200 метров в секунду) и сталкиваются со стенками, но ничего с их спином не происходит. Порядка миллиона столкновений они так могут выдержать. У меня такое визуальное представление этого процесса: покрытие - это как целый лес лиан, очень больших, а спину для того, чтобы испортиться, нужно свой спин кому-то передать. А там это все такое большое и связанное, что передавать некому, поэтому он туда заходит, побарахтается и вылетает обратно, и ничего с ним не происходит. С этими покрытиями мы начали работать лет 10 назад. Сейчас их усовершенствовали и доказали, что с ними можно работать и в квантовой области.
Так вот, вернемся к нашим атомам цезия. Они были при комнатной температуре (это хорошо еще и потому, что алкеновые покрытия высоких температур не выдерживают, а чтобы получить газ, обычно надо что-то испарить, то есть нагреть).
Вы телепортировали спин на полметра. Такое небольшое расстояние - принципиальное ограничение?
Нет, конечно. Как я говорил, детерминистская телепортация не терпит потерь, поэтому лазерные импульсы у нас шли по открытому пространству - если бы мы загоняли их обратно в оптоволокно, то неизменно были бы какие-то потери. Вообще говоря, если там футуризмом заниматься, то вполне можно таким же лучом стрелять в спутник, который будет переправлять сигнал куда надо.
Вы говорили, что в планах у вас непрерывная телепортация?
Да. Только тут непрерывность следует понимать в нескольких смыслах. С одной стороны у нас в работе 10 12 атомов, поэтому дискретность направления коллективного спина настолько крошечная, что можно описывать спин непрерывными переменными. В этом смысле и наша телепортация была непрерывной.
С другой стороны, если процесс меняется во времени, то можно говорить о его непрерывности во времени. Значит, я могу делать следующее. У этого процесса есть, допустим, какая-то временная постоянная - допустим, он происходит за миллисекунды, и вот я взял и разбил его на микросекунды, и «бум» после первой микросекунды телепортировал; потом придется вернуть в начальное состояние.
Каждая такая телепортация, конечно, уничтожает телепортируемое состояние, однако внешнее возбуждение, которое этот процесс вызывает, не трогает. Поэтому по сути мы телепортируем некий интеграл. Этот интеграл мы можем «развернуть» и узнать что-то о внешних возбуждениях. Теоретическая работа, в которой все это предлагается, только что вышла в Physical Review Letters .
На самом деле такое телепортирование туда-сюда можно использовать для очень глубоких вещей. У меня здесь чего-то происходит, и здесь чего-то происходит, и с помощью телепортационного канала я могу симулировать взаимодействие - как будто бы эти два спина, которые никогда между собой не взаимодействовали, в действительности взаимодействуют. То есть такая квантовая симуляция.
А квантовая симуляция - это то, отчего все сейчас прыгают. Вместо того чтобы факторизовать миллионные цифры, можно просто симулировать. Вспомнить тот же D-wave.
Детерминистская телепортация может использоваться в квантовых компьютерах?
Может, но тогда необходимо будет телепортировать кубиты. Тут уже потребуются всякие алгоритмы коррекции ошибок. А их сейчас только начинают разрабатывать.
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
Что такое квантовая запутанность простыми словами? Телепортация – возможно ли это? Доказана ли экспериментально возможность телепортации? Что такое кошмар Энштейна? В этой статье Вы получите ответы на эти вопросы.
Мы в фантастических фильмах и книгах часто встречаемся с телепортацией. Вы задумывались, почему то, что придумали писатели, со временем становится нашей реальностью? Как им удаётся предсказывать будущее? Думаю, это не случайность. Часто писатели-фантасты обладают обширными знаниями по физике и другим наукам, что в сочетании с их интуицией и незаурядной фантазией помогает им построить ретроспективный анализ прошлого и смоделировать события будущего.
Из статьи Вы узнаете:
- Что такое квантовая запутанность?
Понятие «квантовая запутанность» появилось из теоретического предположения, вытекающего из уравнений квантовой механики. Оно означает вот что: если 2 квантовые частицы (ими могут быть электроны, фотоны) оказываются взаимозависимыми (запутанными), то связь сохраняется, даже если их разнести в разные части Вселенной
Открытие квантовой запутанности в некоторой степени объясняет теоретическую возможность телепортации.
Если коротко, то спином квантовой частицы (электрона, фотона) называется ёё собственный угловой момент. Спин можно представить в виде вектора, а саму квантовую частицу – в виде микроскопического магнитика.
Важно понять, что когда за квантом, например, электроном никто не наблюдает, то он имеет все значения спина одновременно. Это фундаментальное понятие квантовой механики называется «суперпозицией».
Представьте, что Ваш электрон вращается одновременно по часовой стрелке и против часовой стрелки. То есть он сразу в обоих состояниях спина (вектор спина вверх/вектор спина вниз). Представили? ОК. Но как только появляется наблюдатель и измеряет его состояние, электрон сам определяет, какой вектор спина ему принять – вверх или вниз.
Хотите узнать, как измеряют спин электрона? Его помещают в магнитное поле: электроны со спином против направления поля, и со спином по направлению поля отклонятся в разные стороны. Спины фотонов измеряют, направляя в поляризационный фильтр. Если спин (или поляризация) фотона «-1», то он не проходит через фильтр, а если «+1», то проходит.
Резюме. Как только Вы измерили состояние одного электрона и определили, что его спин «+1», то связанный или «запутанный» с ним электрон принимает значение спина «-1». Причём моментально, даже если он находится на Марсе. Хотя до измерения состояния 2-го электрона, он имел оба значения спина одновременно («+1» и «-1»).
Этот парадокс, доказанный математически, очень не нравился Энштейну. Потому что он противоречил его открытию, что нет скорости больше, чем скорость света. Но понятие запутанных частиц доказывало: если одна из запутанных частиц будет находиться на Земле, а 2-я – на Марсе, то 1-я частица в момент замера ёё состояния мгновенно (быстрее скорости света) передаёт 2-й частице информацию, какое значение спина ей принять. А именно: противоположное значение.
Спор Энштейна с Бором. Кто прав?
Энштейн называл «квантовую запутанность» SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (нем.) или пугающим, призрачным, сверхъестественным действием на расстоянии .
Энштейн не соглашался с интерпретацией Бора о квантовой запутанности частиц. Потому что это противоречило его теории, что информация не может передаваться со скоростью больше скорости света. В 1935 году он опубликовал статью с описанием мысленного эксперимента. Этот эксперимент назвали «Парадоксом Эйнштейна - Подольского - Розена».
Энштейн соглашался, что связанные частицы могут существовать, но придумал другое объяснение мгновенной передачи информации между ними. Он сказал, что «запутанные частицы» скорее напоминают пару перчаток. Представьте, что у Вас пара перчаток. Левую Вы положили в один чемодан, а правую – во второй. 1-й чемодан Вы отправили другу, а 2-й – на Луну. Когда друг получит чемодан, он будет знать, что в чемодане либо левая, либо правая перчатка. Когда же он откроет чемодан и увидит, что в нём левая перчатка, то он мгновенно узнает, что на Луне – правая. И это не означает, что друг повлиял на то, что в чемодане левая перчатка и не означает, что левая перчатка мгновенно передала информацию правой. Это только означает то, что свойства перчаток были изначально такими с момента, как их разделили. Т.е. в запутанные квантовые частицы изначально заложена информация об их состояниях.
Так кто же был прав Бор, который считал, что связанные частицы передают друг другу информацию мгновенно, даже если они разнесены на огромные расстояния? Или Энштейн, который считал, что никакой сверхъестественной связи нет, и всё предопределено задолго до момента измерения.
Этот спор на 30 лет переместился в область философии. Разрешился ли спор с тех времён?
Теорема Белла. Спор разрешён?
Джон Клаузер, будучи ещё аспирантом Колумбийского университета, в 1967 отыскал забытую работу ирландского физика Джона Белла. Это была сенсация: оказывается Беллу удалось вывести из тупика спор Бора и Энштейна . Он предложил экспериментально проверить обе гипотезы. Для этого он предложил построить машину, которая бы создавала и сравнивала много пар запутанных частиц. Джон Клаузер принялся разрабатывать такую машину. Его машина могла создавать тысячи пар запутанных частиц и сравнивать их по разным параметрам. Результаты экспериментов доказывали правоту Бора.
А вскоре французский физик Ален Аспе провёл опыты, один из которых касался самой сути спора между Энштейном и Бором. В этом опыте измерение одной частицы могло прямо повлиять на другую только в случае, если сигнал от 1-й ко 2-й прошёл бы со скоростью, превышающей скорость света. Но сам Энштейн доказал, что это невозможно. Оставалось только одно объяснение – необъяснимая, сверхъестественная связь между частицами.
Результаты опытов доказали, что теоретическое предположение квантовой механики – верно. Квантовая запутанность – это реальность (Квантовая запутанность Википедия ). Квантовые частицы могут быть связанными несмотря на огромные расстояния. Измерение состояния одной частицы влияет на состояние далеко расположенной от нёё 2-й частицы так, как если бы расстояния между ними не существовало. Сверхъестественная связь на расстоянии происходит в действительности.
Остаётся вопрос, возможна ли телепортация?
Подтверждена ли телепортация экспериментально?
Японские учёные ещё в 2011 году впервые в мире телепортировали фотоны! Мгновенно переместили из пункта А в пункт Б пучок света.
Хотите, чтобы за 5 минут всё, что Вы прочитали о квантовой запутанности, разложилось по полочкам – посмотрите это видео замечательное видео.
До скорых встреч!
Желаю всем интересных, вдохновляющих проектов!
P.S. Если статья была Вам полезна и понятна, не забудьте поделитесь ею.
P.S. Пишите Ваши мысли, вопросы в комментариях. Какие ещё вопросы по квантовой физике Вам интересны?
P.S. Подписывайтесь на блог - форма для подписки под статьёй.
Ключевое исследование, доказывающее принципиальную возможность квантовой телепортации фотонов.
Это необходимо для фундаментального физического обоснования принципиальной возможности дистантной трансляции генетико-метаболической информации с помощью поляризованных (спинирующих) фотонов. Доказательство, применимое как для трансляции in vitro (с помощью лазера), так и in vivo, т.е. в самой биосистеме между клетками.
Экспериментальная квантовая телепортация
Экспериментально продемонстрирована квантовая телепортация – передача и восстановление на любой произвольной дистанции состояния квантовой системы. В процессе телепортации первичный фотон поляризуется, и эта поляризация является передаваемым дистантно состоянием. При этом пара спутанных фотонов является объектом измерения, в котором второй фотон спутанной пары может находиться произвольно далеко от начального. Квантовая телепортация будет ключевым элементом в сетях квантового компьютинга.
Мечта о телепортации – это мечта о способности к путешествию путем простого появления на некотором расстоянии. Объект телепортации может быть полностью охарактеризован по своим свойствам классической физикой путем измерений. Для того, чтобы на некотором расстоянии сделать копию этого объекта нет необходимости передавать туда его части или фрагменты. Все, что необходимо для такой передачи – это снятая с объекта полная информация о нем, которая может использоваться для воссоздания объекта. Но насколько точна должна быть эта информация для генерации точной копии оригинала? Что если эти части и фрагменты будут представлены электронами, атомами и молекулами? Что произойдет с их индивидуальными квантовыми свойствами, которые, в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, не могут быть измерены с произвольной точностью?
Беннет и др. доказали, что возможна передача квантового состояния одной частицы на другую, т.е. процесс квантовой телепортации, которая не обеспечивает передачу любой информации об этом состоянии в процессе передачи. Эта трудность может быть устранена, если использовать принцип спутывания (entanglement), как особого свойства квантовой механики . Оно отображает корреляции между квантовыми системами существенно более строго, чем это могут делать любые классические корреляции. Возможность передачи квантовой информации – одна из базовых структур волновой квантовой коммуникации и квантового компьютинга . Хотя и существует быстрый прогресс в описании квантового информационного процессинга, трудности в управлении квантовыми системами не позволяют делать адекватные подвижки в экспериментальной реализации новых предложений. Не обещая быстрых успехов в квантовой криптографии (первичные соображения по передаче секретных данных), ранее мы только успешно доказали возможность квантового плотного кодирования , как пути квантово-механического усиления сжатия данных. Основная причина такого медленного экспериментального прогресса в том, что хотя и существуют методы генерации пар спутанных фотонов , спутанные состояния для атомов только начинают изучаться и они не более возможны, чем спутанные состояния для двух квантов.
Здесь мы публикуем первую экспериментальную проверку квантовой телепортации. Путем создания пар спутанных фотонов с помощью процесса параметрической даун-конверсии, а также путем двухфотонной интерферометрии для анализа процесса спутывания, мы можем передать квантовые свойства (в нашем случае состояние поляризации) с одного фотона на другой. Методы, развитые в этом эксперименте, будут иметь большое значение как для исследований в области квантовой коммуникации, так и для будущих экспериментов по фундаментальным основам квантовой механики.
