Teleportace částic. Quantum ABC: Teleportace

V červnu 2013 se skupině fyziků pod vedením Eugena Polzika podařilo provést experiment na deterministické teleportaci kolektivního spinu 10 12 atomů cesia na vzdálenost půl metru. Tato práce vytvořila obal Přírodní fyzika. Proč je to opravdu důležitý výsledek, jaké byly experimentální potíže a nakonec, co je to „deterministická kvantová teleportace“, řekl Lenta.ru Eugene Polzik, profesor a člen výkonného výboru Ruského kvantového centra (RCC). .

"Lenta.ru": Co je to "kvantová teleportace"?

Abyste pochopili, jak se kvantová teleportace liší od toho, co vidíme například v sérii Star Trek, musíte pochopit jednu jednoduchou věc. Náš svět je navržen tak, že pokud se chceme o čemkoli něco dozvědět, pak v nejmenších detailech budeme vždy dělat chyby. Vezmeme-li řekněme obyčejný atom, pak nebudeme schopni současně změřit rychlost pohybu a polohu elektronů v něm (takto se nazývá Heisenbergův princip neurčitosti). To znamená, že výsledek nemůže být reprezentován jako posloupnost nul a jedniček.

V kvantové mechanice je však vhodná otázka: i když výsledek nelze zapsat, možná jej lze přenést? Tento proces přenosu informací nad rámec přesnosti, kterou umožňují klasická měření, se nazývá kvantová teleportace.

Kdy se poprvé objevila kvantová teleportace?

Eugene Polzik, profesor na Niels Bohr Institute, University of Copenhagen (Dánsko), člen výkonného výboru Ruského kvantového centra

V roce 1993 napsalo šest fyziků – Bennett, Brossard a další Fyzické kontrolní dopisyčlánek (pdf), ve kterém přišli s úžasnou terminologií pro kvantovou teleportaci. Je to také pozoruhodné, protože tato terminologie má od té doby mimořádně pozitivní dopad na veřejnost. V jejich práci byl protokol kvantového přenosu informací popsán čistě teoreticky.

V roce 1997 byla provedena první kvantová teleportace fotonů (ve skutečnosti se jednalo o dva experimenty - skupiny Seillinger a De Martini; Seillinger je prostě citován více). Ve své práci teleportovali polarizaci fotonů - směr této polarizace je kvantová veličina, tedy veličina, která nabývá různých hodnot s různou pravděpodobností. Jak se ukázalo, tuto hodnotu nelze změřit, ale teleportaci provést lze.

Zde je to, co musíte vzít v úvahu: v experimentech Seillingera a De Martiniho byla teleportace pravděpodobnostní, to znamená, že fungovala s určitou pravděpodobností úspěchu. Podařilo se jim dosáhnout pravděpodobnosti ne méně než 67 (2/3) procent - což je v ruštině vhodné nazvat klasickou limitou.

Dotyčná teleportace se nazývá pravděpodobnostní. V roce 1998 jsme v Caltechu udělali to, čemu jsme říkali deterministická teleportace. Teleportovali jsme fázi a amplitudu světelného pulzu. Ty jsou, jak říkají fyzici, stejně jako rychlost a umístění elektronu „nekomutující proměnné“, a proto se řídí již zmíněným Heisenbergovým principem. To znamená, že současná měření nejsou povolena.

Atom lze považovat za malý magnet. Směr tohoto magnetu je směrem rotace. Orientaci takového „magnetu“ lze ovládat pomocí magnetického pole a světla. Fotony – částice světla – mají také spin, kterému se také říká polarizace.

Jaký je rozdíl mezi pravděpodobnostní a deterministickou teleportací?

Abychom to vysvětlili, musíme si nejprve promluvit trochu více o teleportaci. Představte si, že body A a B obsahují atomy, každý pro pohodlí jeden. Chceme teleportovat, řekněme, rotaci atomu z A do B, to znamená přivést atom v bodě B do stejného kvantového stavu jako atom A. Jak jsem již řekl, na tento jeden klasický komunikační kanál nestačí , takže jsou vyžadovány dva kanály - jeden klasický, druhý kvantový. Jako nosič kvantové informace využíváme světelná kvanta.

Nejprve procházíme světlem atomem B. Dochází k procesu zapletení, jehož výsledkem je vytvoření vazby mezi světlem a rotací atomu. Když světlo dorazí do A, můžeme předpokládat, že mezi těmito dvěma body byl vytvořen kvantový komunikační kanál. Světlo procházející A čte informaci z atomu a poté je světlo zachyceno detektory. Právě tento okamžik lze považovat za okamžik přenosu informace kvantovým kanálem.

Nyní zbývá jen přenést výsledek měření klasickým kanálem do B, aby na základě těchto dat mohly provést nějaké transformace na spinu atomu (například změnit magnetické pole). Výsledkem je, že v bodě B atom dostává spinový stav atomu A. Teleportace je dokončena.

Ve skutečnosti se však fotony pohybující se po kvantovém kanálu ztratí (například pokud je tento kanál běžné optické vlákno). Hlavní rozdíl mezi pravděpodobnostní a deterministickou teleportací spočívá právě v postoji k těmto ztrátám. Pravděpodobnostnímu je jedno, kolik se jich tam ztratilo – pokud z milionu fotonů dorazil alespoň jeden, pak už je to dobré. V tomto smyslu je samozřejmě vhodnější pro posílání fotonů na velké vzdálenosti ( Aktuálně je rekord 143 kilometrů - cca. "Tapes.ru"). Deterministická teleportace má horší postoj ke ztrátám - obecně řečeno, čím vyšší ztráty, tím horší kvalita teleportace, to znamená, že na přijímacím konci drátu není výsledek úplně původní kvantový stav - ale funguje to pokaždé, zhruba řečeno, stisknete tlačítko.

Zapletený stav světla a atomů je v podstatě zapletený stav jejich rotací. Pokud jsou spiny, řekněme, atomu a fotonu propletené, pak měření jejich parametrů, jak říkají fyzici, koreluje. To znamená, že pokud například měření rotace fotonu ukazuje, že je nasměrován nahoru, pak rotace atomu bude směřovat dolů; je-li rotace fotonu nasměrována doprava, pak rotace atomu bude směřována doleva a tak dále. Trik je v tom, že před měřením ani foton, ani atom nemají konkrétní směr rotace. Jak to, že navzdory tomu spolu souvisí? To je místo, kde byste měli začít „závrať z kvantové mechaniky“, jak řekl Niels Bohr.

Evžen Polzik

A jak se liší oblasti jejich použití?

Pravděpodobnost, jak jsem řekl, je vhodná pro přenos dat na velké vzdálenosti. Řekněme, že pokud v budoucnu budeme chtít vybudovat kvantový internet, pak budeme potřebovat teleportaci tohoto typu. Pokud jde o ten deterministický, může být užitečný pro teleportaci některých procesů.

Zde si musíme okamžitě ujasnit: nyní mezi těmito dvěma typy teleportace není tak jasná hranice. Například v Ruském kvantovém centru (a nejen tam) se vyvíjejí „hybridní“ kvantové komunikační systémy, kde se používají pravděpodobnostní a částečně deterministické přístupy.

V naší práci byla teleportace procesu taková, víte, stroboskopická - ještě nemluvíme o kontinuální teleportaci.

Jedná se tedy o diskrétní proces?

Ano. Ve skutečnosti se státní teleportace může přirozeně uskutečnit pouze jednou. Jednou z věcí, které kvantová mechanika zakazuje, je klonování stavů. To znamená, že pokud jste něco teleportovali, pak jste to zničili.

Řekněte nám o tom, co vaše skupina dokázala.

Měli jsme soubor atomů cesia a teleportovali jsme kolektivní rotaci systému. Náš plyn byl pod vlivem laseru a magnetického pole, takže spiny atomů byly orientovány přibližně stejně. Nepřipravený čtenář si to může představit takto – náš kolektiv je velká magnetická střela.

Šipka má neurčitý směr (to znamená, že spiny jsou orientovány „přibližně“ stejně), stejný Heisenbergův. Směr této nejistoty není možné změřit přesněji, ale teleportace polohy je docela možná. Velikost této nejistoty je jedna na druhou odmocninu počtu atomů.

Zde je důležité udělat odbočku. Můj oblíbený systém je atomový plyn při pokojové teplotě. Problém tohoto systému je, že při pokojových teplotách se kvantové stavy rychle rozpadají. U nás však tyto spinové stavy žijí velmi dlouho. A toho se nám podařilo dosáhnout díky spolupráci s vědci z Petrohradu.

Vyvinuli povlaky, které se vědecky nazývají alkenové povlaky. V podstatě jde o něco velmi podobného parafínu. Pokud takový povlak nastříkáte na vnitřek skleněné buňky plynem, pak molekuly plynu létají (rychlostí 200 metrů za sekundu) a narážejí na stěny, ale s jejich rotací se nic nestane. Vydrží asi milion takových kolizí. Mám toto vizuální znázornění tohoto procesu: obal je jako celý les vinné révy, velmi velký, a aby se zadní strana zhoršila, musíte někomu dát záda. A tam je to všechno tak velké a propojené, že to není komu předat, takže tam vejde, plácne a vyletí zpátky, a nic se mu nestane. S těmito nátěry jsme začali pracovat asi před 10 lety. Nyní byly vylepšeny a prokázáno, že je lze použít i v kvantovém poli.

Vraťme se tedy k našim atomům cesia. Byly při pokojové teplotě (to je také dobré, protože alkenové povlaky nesnesou vysoké teploty a pro získání plynu je většinou potřeba něco odpařit, tedy zahřát).

Teleportovali jste rotaci o půl metru. Je tak krátká vzdálenost zásadní omezení?

Samozřejmě že ne. Jak jsem řekl, deterministická teleportace netoleruje ztráty, takže naše laserové pulsy procházely otevřeným prostorem - pokud bychom je zahnali zpět do optického vlákna, vždy by došlo k nějaké ztrátě. Obecně řečeno, pokud se tam zabýváte futurismem, pak je docela možné vystřelit stejný paprsek na satelit, který signál přepošle tam, kam je potřeba.

Řekl jste, že máte plány na nepřetržitou teleportaci?

Ano. Pouze zde by měla být kontinuita chápána v několika významech. Na jedné straně máme v práci 10 12 atomů, takže diskrétnost směru kolektivního spinu je tak nepatrná, že můžeme spin popsat spojitými proměnnými. V tomto smyslu byla naše teleportace nepřetržitá.

Na druhou stranu, pokud se proces v čase mění, pak můžeme hovořit o jeho návaznosti v čase. Mohu tedy udělat následující. Tento proces má, řekněme, nějakou časovou konstantu – řekněme, že se odehrává v milisekundách, a tak jsem to vzal a rozdělil na mikrosekundy a „bum“ po první mikrosekundě, kterou jsem teleportoval; pak jej musíte vrátit do původního stavu.

Každá taková teleportace samozřejmě zničí teleportovaný stav, ale vnější vzrušení, které tento proces způsobuje, neovlivňuje. Proto v podstatě teleportujeme určitý integrál. Tento integrál můžeme „rozšířit“ a dozvědět se něco o vnějších buzeních. Právě vyšla teoretická práce, která toto vše navrhuje. Fyzické kontrolní dopisy.

Ve skutečnosti lze tento druh teleportace tam a zpět použít pro velmi hluboké věci. Něco se tu děje a něco se tu děje a pomocí teleportačního kanálu mohu simulovat interakci - jako by tyto dvě rotace, které spolu nikdy neinteragovaly, skutečně interagovaly. Tedy taková kvantová simulace.

A kvantová simulace je to, na co teď všichni skáčou. Místo faktoringu milionů číslic můžete jednoduše simulovat. Pamatujte na stejnou D-vlnu.

Mohla by být deterministická teleportace použita v kvantových počítačích?

Možná, ale pak by bylo nutné qubity teleportovat. To bude vyžadovat všechny druhy algoritmů pro opravu chyb. A teprve se začínají rozvíjet.

Takový teleportační stroj byl postaven ve filmu „Kontakt“. S její pomocí hrdinka Jodie Foster odcestovala do jiného světa, nebo možná ne...

Ve fantasy světech představovaných spisovateli a scénáristy se teleportace již dávno stala standardní dopravní službou. Zdá se, že je těžké najít tak rychlý, pohodlný a zároveň intuitivní způsob pohybu v prostoru.

Krásnou myšlenku teleportace podporují i ​​vědci: zakladatel kybernetiky Norbert Wiener ve své práci „Kybernetika a společnost“ věnoval celou kapitolu „možnosti cestování pomocí telegrafu“. Od té doby uplynulo půl století a během této doby jsme se téměř přiblížili snu lidstva o takovém cestování: úspěšná kvantová teleportace byla provedena v několika laboratořích po celém světě.

Základy

Proč je teleportace kvantová? Faktem je, že kvantové objekty (elementární částice nebo atomy) mají specifické vlastnosti, které jsou určeny zákony kvantového světa a v makrosvětě nejsou pozorovány. Právě tyto vlastnosti částic sloužily jako základ pro experimenty s teleportací.

EPR paradox

Během období aktivního rozvoje kvantové teorie, v roce 1935, ve slavném díle Alberta Einsteina, Borise Podolského a Nathana Rosena: „Může být kvantově mechanický popis reality úplný? Byl formulován tzv. EPR paradox (Einstein-Podolsky-Rosen paradox).

Autoři ukázali, že z kvantové teorie vyplývá: pokud existují dvě částice A a B se společnou minulostí (rozptýlené po srážce nebo vzniklé při rozpadu nějaké částice), pak stav částice B závisí na stavu částice. A tato závislost by se měla projevit okamžitě a na jakoukoli vzdálenost. Takové částice se nazývají EPR pár a říká se, že jsou ve „zapleteném“ stavu.

Nejprve si připomeňme, že částice je v kvantovém světě pravděpodobnostním objektem, to znamená, že může být v několika stavech současně – například může být nejen „černá“ nebo „bílá“, ale "šedá". Při měření takové částice však vždy uvidíme pouze jeden z možných stavů – „černý“ nebo „bílý“ a s určitou předvídatelnou pravděpodobností budou všechny ostatní stavy zničeny. Navíc ze dvou kvantových částic je možné vytvořit tak „propletený“ stav, že vše bude ještě zajímavější: pokud se jedna z nich při měření ukáže jako „černá“, pak druhá bude jistě „bílá“ a naopak!

Abychom pochopili, co je to paradox, nejprve provedeme experiment s makroskopickými objekty. Vezměme si dvě krabice, z nichž každá obsahuje dvě kuličky – černou a bílou. A vezmeme jednu z těchto krabic na severní pól a druhou na jižní pól.

Pokud vyjmeme jednu z koulí na jižním pólu (například černou), pak to nijak neovlivní výsledek volby na severním pólu. Není vůbec nutné, že v tomto případě narazíme právě na bílou kouli. Tento jednoduchý příklad potvrzuje, že je nemožné pozorovat EPR paradox v našem světě.

Ale v roce 1980 Alan Aspect experimentálně ukázal, že v kvantovém světě skutečně dochází k EPR paradoxu. Speciální měření stavu EPR částic A a B ukázala, že pár EPR není spojen jen společnou minulostí, ale částice B jaksi okamžitě „ví“, jak byla částice A měřena (jaká byla naměřena její charakteristika) a jaký byl výsledek. . Pokud bychom mluvili o krabicích se čtyřmi koulemi zmíněnými výše, znamenalo by to, že když jsme vytáhli černou kouli na jižním pólu, musíme určitě vytáhnout bílou na severním pólu! Ale neexistuje žádná interakce mezi A a B a přenos nadsvětelného signálu je nemožný! V následných experimentech byla existence EPR paradoxu potvrzena, i když částice páru EPR byly od sebe odděleny na vzdálenost asi 10 km.

Tyto experimenty, z hlediska naší intuice zcela neuvěřitelné, snadno vysvětlí kvantová teorie. Koneckonců, pár EPR jsou přesně dvě částice v „zapleteném“ stavu, což znamená, že výsledek měření například částice A určuje výsledek měření částice B.

Je zajímavé, že Einstein považoval předpovězené chování částic v EPR párech za „působení démonů na dálku“ a byl si jistý, že EPR paradox opět ukazuje nekonzistentnost kvantové mechaniky, kterou vědec odmítl akceptovat. Domníval se, že vysvětlení paradoxu je nepřesvědčivé, protože „pokud podle kvantové teorie pozorovatel vytvoří nebo může částečně vytvořit pozorované, pak myš může přetvořit vesmír pouhým pohledem na něj“.

Teleportační experimenty

V roce 1993 Charles Bennett a jeho kolegové přišli na to, jak využít pozoruhodné vlastnosti párů EPR: vynalezli způsob, jak pomocí páru EPR přenést kvantový stav objektu na jiný kvantový objekt a tuto metodu nazvali kvantová teleportace. A v roce 1997 skupina experimentátorů vedená Antonem Zeilingerem poprvé provedla kvantovou teleportaci stavu fotonu. Schéma teleportace je podrobně popsáno v příloze.

Omezení a frustrace

Je zásadně důležité, že kvantová teleportace není přenos objektu, ale pouze neznámý kvantový stav jednoho objektu na druhý kvantový objekt. Nejenže pro nás kvantový stav teleportovaného objektu zůstává záhadou, ale je také nenávratně zničen. Čím si ale můžeme být naprosto jisti, že jsme získali identický stav jiného objektu na jiném místě.

Kdo čekal, že teleportace bude okamžitá, bude zklamán. V Bennettově metodě vyžaduje úspěšná teleportace klasický komunikační kanál, což znamená, že rychlost teleportace nemůže překročit rychlost přenosu dat přes běžný kanál.

A stále se zcela neví, zda bude možné přejít od teleportace stavů částic a atomů k teleportaci makroskopických objektů.

aplikace

Praktické uplatnění pro kvantovou teleportaci se rychle našlo – jde o kvantové počítače, kde se informace ukládají ve formě sady kvantových stavů. Zde se kvantová teleportace ukázala jako ideální způsob přenosu dat, který zásadně eliminuje možnost zachycení a kopírování přenášených informací.

Přijde na řadu ten člověk?

Navzdory všem moderním pokrokům v oblasti kvantové teleportace zůstávají vyhlídky na teleportaci lidí velmi vágní. Samozřejmě chci věřit, že vědci na něco přijdou. V roce 1966 v knize „Sum of Technology“ Stanislav Lem napsal: „Pokud se nám podaří syntetizovat Napoleona z atomů (za předpokladu, že máme k dispozici „atomový inventář“), bude Napoleon živým člověkem. Pokud takový inventář odeberete od jakékoli osoby a přenesete jej „telegraficky“ do přijímacího zařízení, jehož vybavení na základě přijaté informace znovu vytvoří tělo a mozek této osoby, pak vyjde z přijímacího zařízení. zařízení živé a zdravé."

Praxe je však v tomto případě mnohem složitější než teorie. Je tedy nepravděpodobné, že vy a já budeme muset cestovat po světech pomocí teleportace, natož s zaručenou bezpečností, protože stačí jedna chyba a můžete se proměnit v nesmyslnou sbírku atomů. Zkušený galaktický inspektor z románu Clifforda Simaka o tom ví hodně a ne nadarmo se domnívá, že „ti, kdo přenášejí hmotu na dálku, by se měli nejprve naučit dělat to pořádně“.

Kvantový svět je od toho našeho velmi vzdálen, a tak nám jeho zákony často připadají podivné a kontraintuitivní. Přicházejí však důležité novinky z kvantové fyziky, a tak je nyní nutné je správně chápat – jinak se práce fyziků v našich očích mění z vědy v magii a zarůstá mýty. Pozoruhodným příkladem je kvantová teleportace, kolem které se nahromadilo tolik nedorozumění, že ani vědečtí novináři obvykle nedokážou takové experimenty správně popsat. Vysvětlením, co kvantová teleportace vlastně je a co není, začínáme sérii materiálů připravených ve spolupráci s Ruským kvantovým centrem. Dnes na naše otázky odpovídá Alexander Lvovsky, zaměstnanec RCC a profesor na univerzitě v Calgary.

Co je to kvantová teleportace, kdo ji vynalezl, jak vypadá úplně první a nejjednodušší takový experiment?

Kvantová teleportace je, když se kvantový stav nějakého fyzického objektu (například fotonu) přenese na identický objekt umístěný v jiném místě, aniž by se použil přímý přenos kvantové částice.

Myšlenka kvantové teleportace byla navržena v roce 1993 skupinou teoretiků včetně Charlese Bennetta a Gillese Brassarda - stejných, kteří navrhli kvantovou kryptografii v roce 1984. Pokud jde o experimentální priority, je to mezi oběma skupinami sporné. První experiment s fotonovou teleportací provedla skupina profesora Francesca De Martiniho v Římě. Článek, který do časopisu poslal, však recenzenti „zabalili“ pod technickou záminkou. Jako první proto vyšla další skupina - profesor Anton Zeilinger v Innsbrucku (Rakousko).

Tradičně se partneři na dvou koncích kvantové komunikační linky nazývají Alice a Bob. Aby tedy mohli teleportovat foton z Alice k Bobovi, potřebují dodatečně připravit a vyměnit pár fotonů ve spleteném stavu. Takže na začátku má Alice dva fotony: jeden, který chce teleportovat, a jeden ze dvou propletených, a Bob má druhý z těchto dvou. Během teleportace Alice změří kvantový stav obou svých fotonů a výsledek předá Bobovi.

Co znamená „měří kvantový stav“? Jak se to dělá v experimentu?

Pokud se bavíme o stavech optické polarizace (tedy v jaké rovině kmitá pole elektromagnetické vlny), pak se používají tzv. polarizační rozdělovače paprsků. Jedná se o skleněnou kostku, která propouští horizontálně polarizované fotony a odráží ty vertikálně polarizované pod úhlem 90 stupňů. Pokud je foton polarizován nějakým jiným způsobem, to znamená, že je v superpozici vertikálních a horizontálních stavů, pak s určitou pravděpodobností náhodně projde nebo se odrazí. Za krychlí, v přenosových a odrazových kanálech, jsou umístěny jednofotonové detektory, které generují elektrické impulsy, když na ně dopadnou kvanta světla.

Odkud se zapletené páry fotonů berou a co přesně je v nich zapleteno?

Propletené páry fotonů se tvoří ve speciálních krystalech. Pozoruhodnou vlastností takových krystalů je, že dokážou „rozdělit“ fotony. Pokud jimi projdete silným laserovým paprskem, některé fotony v tomto paprsku se rozpadnou na páry fotonů s nižší energií. Tyto páry mohou být zapleteny v různých parametrech, nejen v polarizaci - ve frekvencích, dobách generování a směrech vyzařování.

Co jsou vlastně zapletené částice? Vzali jsme například pár fotonů, rozmístili je a změřili stav jednoho z nich. Stalo se v tu chvíli tomu druhému něco? Nebo jsme se o tom jen něco dozvěděli, jako v experimentu se dvěma míčky, které můžete hodit do pytle, jeden vytáhnout a přesně zjistit, který z nich zbyl?

Zapletený stav je stav superpozice, ve kterém existují dva samostatné kvantové objekty současně. Například superpozice stavů dvou fotonů, z nichž v prvním má Alicin foton horizontální polarizaci a Bobův foton vertikální polarizaci a ve druhém je naopak propletený.

Kvantové vlastnosti zapletených objektů spolu korelují. Neznamená to jednoduše, že pokud jeden z partnerů detekuje foton v horizontální polarizaci, polarizace druhého se ukáže jako vertikální (podobnou korelaci najdeme i u klasických předmětů, jako jsou vámi zmíněné koule v sáčku) . V případě kvantové korelace, cokoliv Ať už Alice objevila jakýkoli úhel polarizace, Bob jistě objeví polarizaci ortogonální k Alici. Oproti mramorům je rozdíl v tom, že samy mají určitou barvu – ještě dříve, než je spatříme. U kvantových objektů je situace jiná – nelze říci, že mají nějakou polarizaci, než ji změříme. Před měřením jsou v superpozici různých polarizací.

Předpokládejme například, že Alice umístila do dráhy svého fotonu polarizační rozdělovač paprsku, nakloněný pod úhlem 30 stupňů, a zjistila, že detektor umístěný přímo za ním „cvakl“. To znamená, že foton prošel rozdělovačem paprsků – Alice detekovala foton s polarizací 30 stupňů. Pokud pak Bob provede podobné měření, jeho rozdělovač paprsku bude foton s jistotou odrážet, což ukazuje, že Bobův foton má polarizaci 120 stupňů. Ukazuje se, že Alice může změnou úhlu svého rozdělovače paprsků na dálku připravit Bobův foton v určitém stavu - bez ohledu na to, jak je Bob daleko, okamžitě a bez jakékoli interakce! Tento jev se nazývá kvantová nelokálnost. Bohužel pomocí nelokality není možné přenášet informace na dálku (jinak by taková komunikace byla okamžitá, což konkrétně odporuje teorii relativity a vlastně i zdravému rozumu obecně). To však lze použít pro teleportaci a není to v rozporu se SRT.

Vyřešili jsme zapletené páry, jak teď provedeme kvantovou teleportaci?

Teleportace využívá složitější typ nelokality. Alice provede společné měření na dvojici fotonů, které má v rukou – na původním fotonu (který chce teleportovat) a na tom, který je součástí propleteného páru.

Poté se Bobův foton přemění do stavu s polarizací shodnou s původní polarizací Alicina fotonu, nebo do stavu, který lze na tuto polarizaci redukovat jednoduchou operací. V tomto případě je Alicin foton zničen, kvůli čemuž je dodržován zákaz kvantového klonování.

Toto je podvod, teleportuje se pouze stav částice, nikoli samotná částice. Proč se tomu tedy říká teleportace?

Za prvé, kvantová teleportace je fyzikální termín, který má přesně definovaný význam, a „obyčejná“ teleportace je termín ze sci-fi literatury. Jedná se tedy, obecně řečeno, o různé pojmy. Je však třeba připomenout, že vše na světě, včetně lidského těla, je do značné míry redukovatelné na nerozeznatelné částice. Jsme tvořeni kyslíkem, vodíkem a uhlíkem, s malým přídavkem dalších chemických prvků. Nasbíráme-li potřebný počet atomů požadovaných prvků a poté je pomocí teleportace uvedeme do stavu shodného s jejich stavem v těle teleportované osoby, získáme stejnou osobu. Bude fyzikálně k nerozeznání od originálu kromě své pozice v prostoru (ostatně identické kvantové částice jsou k nerozeznání). Samozřejmě to přeháním do extrému - od lidské teleportace nás dělí celá věčnost. Jádrem věci je však právě toto: identické kvantové částice se nacházejí všude, ale uvést je do požadovaného kvantového stavu není vůbec snadné.

Dobře, proč vůbec něco teleportovat?

Teleportace makroskopických objektů – například lidí – nepatří mezi naléhavé úkoly kvantové technologie. Teleportace kvantových stavů mikroskopických částic – fotonů, atomů – se však ukazuje jako užitečná pro kvantové informační technologie. Je například důležitou součástí určitých modelů kvantových počítačů a opakovačů.

A jak můžete navázat spojení pomocí teleportace?

Kvantová komunikace je založena na kódování bitů do stavů jednotlivých fotonů. V moderních kvantových komunikačních systémech jsou tyto fotony přenášeny od Alice k Bobovi přímo prostřednictvím optického spojení. Problém je v tom, že takové kanály mají značné ztráty: polovina všech fotonů se ztrácí každých 10-15 km. To omezuje praktický dosah převodovky na zhruba sto kilometrů. Tuto potíž však lze obejít tím, že se fotony nebudou přenášet přímo, ale teleportovat jejich. Pak bude muset Alicin foton urazit jen krátkou vzdálenost.

A jak to funguje v praxi? Jaká je rychlost, dosah teleportace, co opakovače?

Aniž bych zabíhal do technických detailů, řeknu, že k implementaci takového schématu je nutné umět nejen teleportovat kvantové stavy fotonů, ale také držet jsou nezměněny po relativně dlouhou dobu (alespoň několik milisekund). K tomu je potřeba vyvinout kvantovou paměťovou buňku pro fotony, ale takové zařízení s potřebnými parametry zatím nemáme. Kvantový opakovač proto ještě nebyl implementován. Doufám však, že obtíže během několika příštích let překonáme.

S jakými hlavními problémy se kvantová teleportace potýká a co nám jejich řešení slibuje?

Abychom mohli implementovat „kvantový internet“ a další kvantové informační technologie, musíme se naučit, jak přenášet kvantové stavy mezi objekty různé fyzikální povahy – fotony, atomy, kvantové tečky, supravodivé obvody a tak dále.

Připravil Alexander Ershov

Co je to kvantové zapletení v jednoduchých slovech? Teleportace - je to možné? Byla experimentálně prokázána možnost teleportace? Co je Einsteinova noční můra? V tomto článku získáte odpovědi na tyto otázky.

S teleportací se často setkáváme ve sci-fi filmech a knihách. Přemýšleli jste někdy nad tím, proč to, s čím spisovatelé přišli, se nakonec stane naší realitou? Jak se jim daří předpovídat budoucnost? Myslím, že to není nehoda. Spisovatelé sci-fi mají často rozsáhlé znalosti fyziky a dalších věd, které jim ve spojení s jejich intuicí a mimořádnou představivostí pomáhají konstruovat retrospektivní analýzu minulosti a simulovat budoucí události.

Z článku se dozvíte:

• Co je to kvantové provázání?

Pojem "Kvantové zapletení" vyplynul z teoretického předpokladu vyplývajícího z rovnic kvantové mechaniky. Znamená to toto: pokud se ukáže, že 2 kvantové částice (mohou to být elektrony, fotony) jsou vzájemně závislé (propletené), spojení zůstává, i když jsou rozděleny do různých částí vesmíru

Objev kvantového zapletení do jisté míry vysvětluje teoretickou možnost teleportace.

Zkrátka tedy roztočit kvantové částice (elektronu, fotonu) se nazývá její vlastní moment hybnosti. Spin může být reprezentován jako vektor a samotná kvantová částice jako mikroskopický magnet.

Je důležité pochopit, že když nikdo nepozoruje kvantum, například elektron, pak má všechny spinové hodnoty současně. Tento základní koncept kvantové mechaniky se nazývá „superpozice“.

Představte si, že se váš elektron otáčí ve směru i proti směru hodinových ručiček současně. To znamená, že je v obou stavech rotace najednou (vektorové roztočení nahoru/vektorové roztočení dolů). Představeno? OK. Jakmile se ale objeví pozorovatel a změří jeho stav, elektron sám určí, jaký spinový vektor má přijmout – nahoru nebo dolů.

Chcete vědět, jak se měří spin elektronů? Je umístěn v magnetickém poli: elektrony se spinem proti směru pole a se spinem ve směru pole budou vychylovány do různých směrů. Rotace fotonů se měří jejich nasměrováním do polarizačního filtru. Pokud je spin (nebo polarizace) fotonu „-1“, pak neprojde filtrem, a pokud je „+1“, pak ano.

Souhrn. Jakmile změříte stav jednoho elektronu a určíte, že jeho spin je „+1“, pak elektron s ním spojený nebo „zapletený“ získá hodnotu spinu „-1“. A to okamžitě, i když je na Marsu. Přestože před měřením stavu 2. elektronu měl obě hodnoty spinu současně („+1“ a „-1“).

Tento paradox, dokázaný matematicky, se Einsteinovi příliš nelíbil. Protože to odporovalo jeho objevu, že neexistuje žádná rychlost větší než rychlost světla. Ale prokázal se koncept zapletených částic: pokud je jedna ze zamotaných částic na Zemi a druhá na Marsu, pak 1. částice v okamžiku měření jejího stavu okamžitě (rychleji než rychlost světla) přenese do Informace o 2. částici, jakou hodnotu spinu má přijmout. Totiž: opačný význam.

Einsteinův spor s Bohrem. kdo má pravdu?

Einstein nazval „kvantové provázání“ SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (německy) resp. děsivá, přízračná, nadpřirozená akce na dálku.

Einstein nesouhlasil s Bohrovou interpretací kvantového zapletení částic. Protože to odporoval jeho teorii, že informace nelze přenášet rychleji, než je rychlost světla. V roce 1935 publikoval článek popisující myšlenkový experiment. Tento experiment se nazýval „paradox Einstein-Podolského-Rosen“.

Einstein souhlasil, že vázané částice mohou existovat, ale přišel s jiným vysvětlením pro okamžitý přenos informací mezi nimi. Řekl "zapletené částice" spíše jako rukavice. Představte si, že máte rukavice. Levou dáte do jednoho kufru a pravou do druhého. První kufr jsi poslal příteli a druhý na Měsíc. Když přítel kufr obdrží, bude vědět, že kufr obsahuje buď levou nebo pravou rukavici. Když kufr otevře a uvidí, že je v něm levá rukavice, okamžitě pozná, že na Měsíci je pravá rukavice. A to neznamená, že přítel ovlivnil skutečnost, že levá rukavice je v kufru a neznamená to, že levá rukavice okamžitě přenesla informace do pravé. To pouze znamená, že vlastnosti rukavic byly původně stejné od okamžiku, kdy byly odděleny. Tito. zapletené kvantové částice zpočátku obsahují informace o svých stavech.

Kdo měl tedy Bohr pravdu, když věřil, že vázané částice si mezi sebou okamžitě předávají informace, i když jsou od sebe odděleny na obrovské vzdálenosti? Nebo Einstein, který věřil, že žádné nadpřirozené spojení neexistuje a vše je předem dáno dávno před okamžikem měření.

Tato debata se na 30 let přesunula do oblasti filozofie. Podařilo se od té doby spor vyřešit?

Bellova věta. Je spor vyřešen?

John Clauser, ještě jako postgraduální student na Kolumbijské univerzitě, našel v roce 1967 zapomenuté dílo irského fyzika Johna Bella. Byla to senzace: ukázalo se Bell dokázal prolomit patovou situaci mezi Bohrem a Einsteinem.. Navrhl experimentálně otestovat obě hypotézy. Za tímto účelem navrhl postavit stroj, který by vytvořil a porovnal mnoho párů zapletených částic. John Clauser začal takový stroj vyvíjet. Jeho stroj dokázal vytvořit tisíce párů provázaných částic a porovnávat je podle různých parametrů. Experimentální výsledky ukázaly, že Bohr měl pravdu.

A brzy francouzský fyzik Alain Aspe provedl experimenty, z nichž jeden se týkal samotné podstaty sporu mezi Einsteinem a Bohrem. V tomto experimentu mohlo měření jedné částice přímo ovlivnit jinou pouze v případě, že signál z 1. do 2. procházel rychlostí přesahující rychlost světla. Sám Einstein ale dokázal, že to není možné. Zbývalo jediné vysvětlení – nevysvětlitelné, nadpřirozené spojení mezi částicemi.

Experimentální výsledky prokázaly, že teoretický předpoklad kvantové mechaniky je správný. Kvantové zapletení je realita ( Kvantové zapletení Wikipedie). Kvantové částice mohou být spojeny i přes obrovské vzdálenosti. Měření stavu jedné částice ovlivňuje stav 2. částice, která se nachází daleko od ní, jako by vzdálenost mezi nimi neexistovala. Nadpřirozená komunikace na dálku se skutečně odehrává.

Otázkou zůstává, je teleportace možná?

Je teleportace potvrzena experimentálně?

V roce 2011 japonští vědci jako první na světě teleportovali fotony! Paprsek světla se okamžitě přesunul z bodu A do bodu B.

Pokud chcete, aby vše, co jste si o kvantovém propletení přečetli, bylo vyřešeno za 5 minut, podívejte se na toto nádherné video.

Brzy se uvidíme!

Přeji vám všem zajímavé, inspirativní projekty!

P.S. Pokud byl pro vás článek užitečný a srozumitelný, nezapomeňte ho sdílet.

P.S. Své myšlenky a dotazy pište do komentářů. Jaké další otázky o kvantové fyzice vás zajímají?

P.S. Přihlaste se k odběru blogu - formulář pro přihlášení pod článkem.

Klíčový výzkum prokazující zásadní možnost kvantové teleportace fotonů.

To je nezbytné pro zásadní fyzikální doložení zásadní možnosti vzdálené translace genetické a metabolické informace pomocí polarizovaných (spinningových) fotonů. Důkazy použitelné jak pro in vitro (laserem asistované), tak pro in vivo translaci, tzn. v samotném biosystému mezi buňkami.

Experimentální kvantová teleportace

Experimentálně byla prokázána kvantová teleportace – přenos a obnova stavu kvantového systému na libovolnou vzdálenost. Během procesu teleportace je primární foton polarizován a tato polarizace je vzdáleně přenášený stav. V tomto případě je objektem měření dvojice entanglovaných fotonů, přičemž druhý foton z entanglované dvojice může být libovolně daleko od počátečního. Kvantová teleportace bude klíčovým prvkem v kvantových počítačových sítích.

Sen o teleportaci je snem o možnosti cestovat jednoduše tím, že se objevíte na určitou vzdálenost. Teleportační objekt může být plně charakterizován svými vlastnostmi klasickou fyzikou prostřednictvím měření. Aby bylo možné vytvořit kopii tohoto objektu na určitou vzdálenost, není třeba tam přenášet jeho části nebo fragmenty. K takovému přenosu je potřeba pouze kompletní informace o něm převzatá z objektu, kterou lze objekt rekonstruovat. Ale jak přesné musí být tyto informace, aby se vytvořila přesná kopie originálu? Co kdyby tyto části a fragmenty byly reprezentovány elektrony, atomy a molekulami? Co se stane s jejich jednotlivými kvantovými vlastnostmi, které podle Heisenbergova principu neurčitosti nelze měřit s libovolnou přesností?
Bennett a spol dokázali, že je možné přenést kvantový stav jedné částice na druhou, tzn. proces kvantové teleportace, který neposkytuje přenos žádné informace o tomto stavu během procesu přenosu. Tuto potíž lze odstranit, pokud použijeme princip zapletení, jako zvláštní vlastnost kvantové mechaniky. Zobrazuje korelace mezi kvantovými systémy mnohem přísněji, než to dokáže jakákoli klasická korelace. Schopnost přenášet kvantové informace je jednou ze základních struktur vlnové kvantové komunikace a kvantového počítání. Přestože došlo k rychlému pokroku v popisu kvantového zpracování informací, potíže s řízením kvantových systémů neumožňují adekvátní pokrok v experimentální implementaci nových návrhů. I když neslibujeme rychlé úspěchy v kvantové kryptografii (primární úvahy pro přenos tajných dat), dříve jsme pouze úspěšně prokázali možnost kvantově hustého kódování jako způsob, jak kvantově-mechanicky zlepšit kompresi dat. Hlavním důvodem tak pomalého experimentálního pokroku je to, že ačkoli existují metody pro generování párů provázaných fotonů, zapletené stavy pro atomy se teprve začínají studovat a nejsou o nic více možné než zapletené stavy pro dvě kvanta.
Zde zveřejňujeme první experimentální test kvantové teleportace. Vytvořením párů provázaných fotonů pomocí procesu parametrické konverze dolů a použitím dvoufotonové interferometrie k analýze procesu zapletení můžeme přenést kvantové vlastnosti (v našem případě stav polarizace) z jednoho fotonu na druhý. Metody vyvinuté v tomto experimentu budou mít velký význam jak pro výzkum v oblasti kvantové komunikace, tak pro budoucí experimenty na základních principech kvantové mechaniky.