Ученые телепортировали квантовое состояние фотона на расстояние в 25 километров

Описание эксперимента

При осуществлении квантовой телепортации помимо передачи информации по квантовому каналу, необходимо также осуществить передачу дополнительной информации, необходимой для прочтения сообщения, по классическому каналу. Для передачи «квантовой части» используются характерные для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна — Подольского — Розена, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи.

Для простоты рассмотрим квантовую систему с двумя возможными состояниями ψ1{\displaystyle \psi _{1}} и ψ2{\displaystyle \psi _{2}} (например, проекцию спина электрона или фотона на заданную ось). Такие системы часто называют кубитами. Однако описанный ниже способ пригоден для передачи состояния любой системы, имеющей конечное число состояний.

Пусть у отправителя есть частица А, находящаяся в произвольном квантовом состоянии ψA=αψ1+βψ2{\displaystyle \psi _{A}=\alpha \psi _{1}+\beta \psi _{2}}, и он хочет передать это квантовое состояние получателю, то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица B в том же самом состоянии. Иными словами, необходимо передать отношение двух комплексных чисел α{\displaystyle \alpha } и β{\displaystyle \beta } (с максимальной точностью). Заметим, что главная цель здесь — это передать информацию не как можно быстрее, а как можно точнее. Для достижения этой цели выполняются следующие шаги.

  1. Отправитель и получатель договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадёт отправителю, а B — получателю. Поскольку эти частицы запутаны, то каждая из них не обладает своей волновой функцией (вектором состояния), но вся пара целиком (а точнее, интересующие нас степени свободы) описываются единым четырёхмерным вектором состояния ψBC{\displaystyle \psi _{BC}}.
  2. Квантовая система частиц A и C имеет четыре состояния, однако мы не можем описать её состояние вектором — чистым (полностью определённым) состоянием обладает лишь система из трёх частиц A, B, C. Когда отправитель совершает измерение, имеющее четыре возможных исхода, над системой из двух частиц A и C, он получает одно из 4 собственных значений измеряемой величины. Поскольку при этом измерении система из трёх частиц A, B, C коллапсирует в некое новое состояние, причём состояния частиц A и C становятся известны полностью, то сцепленность разрушается и частица B оказывается в некотором определённом квантовом состоянии.
  3. Именно в этот момент происходит как бы «передача» «квантовой части» информации. Однако восстановить передаваемую информацию пока невозможно: получатель знает, что состояние частицы B как-то связано с состоянием частицы A, но не знает как именно!
  4. Для выяснения этого необходимо, чтобы отправитель сообщил получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения (затратив при этом два бита, соответствующие зацепленному состоянию AC, измеренному отправителем). По законам квантовой механики получается, что, имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C, и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.

Полная передача информации осуществится только после того, как получатель будет обладать данными, полученными по обоим каналам. До того как получен результат по классическому каналу, получатель ничего не может сказать о переданном состоянии.

Фантастическое понятие телепортации происходит из специфичной интерпретации эксперимента: «исходное состояние частицы A после всего произошедшего разрушается. То есть состояние было не скопировано, а перенесено из одного места в другое».

Новые возможности для квантовых вычислений

Для того, чтобы понять, что такое кутрит, надо начать с азов. В классических вычислениях для хранения и передачи информации используются биты, которые могут находиться в двух состояниях, в состоянии логической 1 и 0. В квантовых же вычислениях используются кубиты, которые также могут находиться в состоянии 1 и 0, и в состоянии так называемой суперпозиции, когда заключенное в них значение равно одновременно и 1 и 0.

В отличие от кубитов, кутриты могут принимать базовые значения 0, 1 и 2, а их состояние суперпозиции может содержать любую из возможных комбинаций двух или трех базовых значений. Это увеличивает во много раз количество информации, которая может быть обработана в квантовом компьютере или передана по квантовой сети за один раз. Но это также увеличивает в соответствующее количество раз сложность задач, решаемых разработчиками квантовых систем.

Ученые создали кутриты путем разделения потока фотонов на три части, летящие в пространстве очень близко друг к другу. Это было сделано при помощи тщательно калиброванной лазерной установки, системы расщепителей лучей и кристаллов бората натрия, внутри которых отдельные фотоны запутывались на квантовом уровне, превращаясь в кутриты, которые, в свою очередь, были запутаны на квантовом уровне с другими кутритами.

Считывание значения кутрита, который может иметь одно из 12 возможных состояний, производилось с точностью 75 процентов. Да и сама установка, которая производит кутриты, кодирует, телепортирует и считывает информацию, работает пока крайне медленно и неэффективно. Тем не менее, все это является доказательством того, что телепортация кутритов в принципе возможна, и дело остается лишь за совершенствованием данной технологии.

Отметим, что работы по телепортации кутритов велись параллельно и другой независимой группой ученых. Вторая группа работала только с 10 из возможных квантовых состояний кутритов, но результаты их исследований готовы пока не полностью и будут опубликованы немного позже.

Следующим шагом, которые намерены предпринять ученые, станет создание и телепортация так называемых куквартов (ququarts), которые, как не тяжело догадаться, представляют собой кутриты, имеющие еще один дополнительный бит (одно состояние). «Мы ожидаем, что результаты наших исследований проложат путь к созданию действительно многомерных квантовых систем, возможности которых будут на многие порядки выше возможностей квантовых систем на основе кубитов» — пишут исследователи, — «А разработанная нами многомерная телепортация станет ключевой технологией, обеспечивающей работу этих систем». опубликовано econet.ru  

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Практическая телепортация

Практические опыты по телепортации начались около 10 лет назад на Канарских островах под руководством австрийского физика, профессора Венского университета Антона Цайлингера.

В лаборатории на острове Пальма ученые создают пару запутанных фотонов (А и В), а потом один из них при помощи лазерного луча отправляют в другую лабораторию, расположенную на соседнем острове Тенерифе, в 144 км. При этом обе частицы находятся в состоянии суперпозиции — то есть мы еще не «открыли кошачью коробку».

Потом к делу подключают третий фотон (С) — тот, что нужно телепортировать — и заставляют его вступить во взаимодействие с одной из запутанных частиц. Затем физики измеряют параметры этого взаимодействия (А+С) и передают полученное значение в лабораторию на Тенерифе, где находится второй запутанный фотон (В).

Необъяснимая связь между А и В позволят превратить В в точную копию частицы С (А+С-В) — как будто она мгновенно переместилась с одного острова на другой, не пересекая океан. То есть телепортировалась.

Антон Цайлингер руководит работами по практической телепортации

Значит ли это, что в будущем ученые смогут таким образом телепортировать любые предметы и даже людей — ведь мы тоже состоим из таких частиц?

В теории это очень даже возможно. Нужно лишь создать достаточное количество запутанных пар и разнести их в разные места, поместив в «телепортационные кабины» — скажем, в Лондоне и в Москве. Вы заходите в третью кабину, работающую как сканер: компьютер анализирует квантовое состояние ваших частиц, сравнивая их с запутанными, и посылает эту информацию в другой город. А там происходит обратный процесс — и из запутанных частиц воссоздается ваша точная копия.

Как была получена первая фотография квантовой запутанности?

Физики из шотландского университета Глазго нашли способ визуализации этих неравенств, получив первое фотографическое доказательство квантовой запутанности. Для этого они создали очень светочувствительную камеру, которая реагирует на потоки запутанных фотонов, производящихся специальным источником света.


Схема экспериментальной системы выглядит так: кристалл в левом нижнем углу создает пучок из пар запутанных фотонов, который затем разделяется на два. Один проходит через специальные фильтры, а затем попадает на детектор. Второй луч сразу попадает на детектор

Установка создает полностью одинаковые по своим свойствам пары фотонов. Затем они разделяются. Один фотон проходит через фильтры, которые изменяют его физические свойства (состояние). Другой фотон попадает сразу на специальный детектор, минуя фильтры. Светочувствительная камера была настроена таким образом, чтобы фиксировать, когда оба фотона изменяли свои физические состояния, даже разделенные между собой расстоянием.


Пары запутанных фотонов, в которых один из них менял свое состояние в соответствии с изменяющимся состоянием другого фотона

Наблюдения показали, что фотоны, которые проходили через фильтры и те, что через них не проходили одинаково меняют свои состояния. В ходе эксперимента ученые получили четыре фотографии измененных состояний фотонов, а также один снимок, показывающий пары фотонов, в которых один фотон проходил через фильтры, другой нет. Это наблюдение оказалось первым визуальным доказательством явления квантовой запутанности.

Спор Энштейна с Бором. Кто прав?

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.

Этот спор на 30 лет переместился  в область философии. Разрешился ли спор с тех времён?

Что такое квантовая телепортация

Важнейшее явление микромира – так называемая квантовая сцепленность. Смысл этого явления заключается в том, что квантовые состояния частиц могут быть связаны друг с другом, даже если они разнесены в пространстве.
Стали известны подробности о рекорде дальности квантовой телепортации. В конце мая 2012 года появились первые сообщения о том, что группа европейских учёных добилась передачи квантовых свойств между двумя фотонами на расстояние свыше 143 км. Новость вышла вскоре после заявления китайских физиков об успехе аналогичного эксперимента с более скромным результатом и выглядела политическим реваншем. За прошедшее время результаты были подвергнуты тщательной проверке, а детали исследования опубликованы в научной статье авторитетного издания Nature.

Физики из университета Вены и австрийской Академии наук при участии специалистов из института имени Макса Планка в Гархинге действительно осуществили квантовую телепортацию на рекордное расстояние

Успех имеет важное практическое значение, так как минимальная высота спутников на низкой орбите составляет 160 км над поверхностью Земли. Таким образом, решение задачи высокоскоростной передачи данных между спутниками и наземными станциями с использованием квантовых свойств можно считать делом ближайшего будущего

В ходе эксперимента группе исследователей под руководством Антона Цайлингера (Anton Zeilinger) удалось передать квантовое состояние двух запутанных фотонов между двумя Канарскими островами – Ла-Пальма и Тенерифе, расстояние между которыми превышает 143 километра. Предыдущий рекорд, установленный китайскими учёными, составлял 97 км.

Помимо традиционно выделяемых преимуществ квантовых систем передачи данных — таких, как плотность кодирования, скорость и защищённость, Цайлингер отмечает ещё одно важное свойство: квантовая телепортация возможна даже в том случае, когда точное взаимное расположение приёмника и передатчика неизвестно. Как уже отмечалось в «Компьютерре», в настоящее время из-за нерешённых проблем маршрутизации передавать фотоны в квантовом состоянии возможно только в пределах одного оптоволокна

Поэтому австрийская группа решила осуществить квантовую телепортацию безо всякой волоконной оптики – просто через атмосферу. Такая возможность была теоретически предсказана ещё в начале столетия, но столь успешная её реализация проведена впервые

Как уже отмечалось в «Компьютерре», в настоящее время из-за нерешённых проблем маршрутизации передавать фотоны в квантовом состоянии возможно только в пределах одного оптоволокна. Поэтому австрийская группа решила осуществить квантовую телепортацию безо всякой волоконной оптики – просто через атмосферу. Такая возможность была теоретически предсказана ещё в начале столетия, но столь успешная её реализация проведена впервые.

Дальнейшие усилия исследователей направлены не только на повышение расстояния эффективной передачи данных, но и на разработку концепции глобальной сети – Интернета будущего, в основе которого будут лежать те или иные квантовые свойства частиц. Результаты эксперимента дают основания полагать, что отдельные узлы такой сети могут быть соединены без оптоволоконных или каких-либо других кабелей.

Реклама на Компьютерре

Как понять, что спутник получил именно тот фотон, что нужно?

Да очень легко. На помощь приходит великая и ужасная спектральная фильтрация. С ее помощью фотоны маркируются, позволяя ученым отслеживать их перемещение. Каждый фотон получает свой уникальный идентификатор, и перепутать их невозможно.

Для большей уверенности скажу, что в опыте китайских ученых использовалось самое передовое оптическое оборудование, которое как на Земле, так и на спутнике было направлено друг на друга. Таким образом оптика спутника не видела ничего, кроме источника света с Земли, и наоборот.

Спектральная фильтрация – достаточно надежный процесс. Он отклоняет другие шумы и позволяет сосредоточиться именно на одном нужном фотоне. Вспомните 2012-ый и опыт на Канарских островах. Он вообще проводился днем при ярком солнечном свете, и фильтрация держала все под контролем.

«Из пункта А в пункт В…»

История реальной, а не вымышленной телепортации началась в 1993 году, когда американский физик Чарльз Беннетт математически — при помощи формул — доказал теоретическую возможность мгновенных квантовых перемещений.

Конечно, это были сугубо теоретические выкладки: абстрактные уравнения, не имеющие никакого практического применения. Однако точно так же — математическим путем — уже были открыты, например, черные дыры, гравитационные волны и другие явления, подтвердить существование которых экспериментально удалось гораздо позже.

Так что расчеты Беннетта стали настоящей сенсацией. Ученые начали активно вести исследования в этом направлении — и первый успешный опыт квантовой телепортации удалось провести уже через несколько лет.

Тут нужно подчеркнуть, что речь идет именно о квантовой телепортации, а это не совсем то же самое, что мы привыкли видеть в фантастических фильмах. Из одного места в другое передается не сам материальный объект (например, фотон или атом — ведь все состоит из атомов), а информация о его квантовом состоянии. Однако в теории этого достаточно, чтобы «восстановить» исходный объект в новом месте, получив его точную копию. Более того, такие опыты уже тоже успешно проводятся в лабораториях — но об этом чуть ниже.

В привычном нам мире эту технологию проще всего сравнить с ксероксом или факсом: вы посылаете не сам документ, а информацию о нём в электронном виде — но в результате у получателя оказывается его точная копия. С той существенной разницей, что в случае с телепортацией сам отсылаемый материальный объект разрушается, то есть исчезает — и остается лишь копия.

Давайте попробуем разобраться, как это происходит.

Как происходит квантовая телепортация?

Объясняю на примере успеха китайских ученых. Для этого снова обратимся к вашему воображению. Представьте себе пару запутанных фотонов света. Что такое фотоны, объяснять, думаю, не требуется.

Один фотон остается у вас, а другой вы лазером отправляете на спутник, находящийся на околоземной орбите. Скрестите пальцы и надейтесь, что этот фотон таки достигнет своей цели. Допустим, все прошло успешно: один фотон на Земле, другой в космосе, что дальше? А дальше настало время для магии. Частицы, как вы знаете, находятся в состоянии суперпозиции, пока на них не окажется какое-либо воздействие. Об этом детально написано в статье о квантовом бессмертии, можете почитать, будет интересно, обещаю. Так вот, чтобы частица приняла одно положение, достаточно просто направить на нее любой оптический прибор, так как даже наблюдение является воздействием. То есть, грубо говоря, мы просто смотрим на фотон, который находится на Земле, и он мгновенно принимает одно положение. Тем временем фотон, находящийся в космосе принимает абсолютно то же самое положение. Вот вам и вся квантовая телепортация. Информация от одного фотона к другому передается с неимоверной скоростью. Они буквально одновременно принимают одно и то же состояние. Вы только глянули на один фотон, а второй уже такой же.

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.

Остаётся вопрос, возможна ли телепортация?

«Фундаментальные вопросы решены»

На практике всё несколько сложнее. Дело в том, что в нашем теле примерно 7 октиллионов атомов (после семерки идет 27 нулей, то есть это семь миллиардов миллиардов миллиардов) — это больше, чем звезд в обозримой части Вселенной.

А ведь проанализировать и описать нужно не только каждую отдельную частицу, но и все связи между ними — ведь в новом месте их необходимо собрать в идеально правильном порядке.

Собрать и передать такое количество информации практически невозможно — во всяком случае, на современном уровне развития технологий. И когда появятся компьютеры, способные обрабатывать такие объемы данных, неизвестно. Сейчас, во всяком случае, работа ведется над увеличением расстояния между лабораториями, а не количества телепортируемых частиц.

Именно поэтому многие ученые считают, что мечта о телепортации человека вряд ли осуществима. Хотя, например, профессор Нью-Йоркского Сити-колледжа и известный популяризатор науки Митио Каку убежден, что телепортация станет реальностью уже до конца XXI века — а может, и через 50 лет. Не называя конкретных сроков, с ним в целом согласны и некоторые другие эксперты.

Однако тут попутно возникает масса других вопросов. Например, будет ли полученная в результате такой телепортации «копия меня» — настоящим мной? Будет ли она так же думать, обладать теми же воспоминаниями? Ведь, как уже упоминалось раньше, оригинал отсылаемого предмета в результате квантового анализа разрушается.

С другой стороны, с сугубо материалистичной точки зрения, нас определяют не сами частицы, из которых мы состоим, а их состояние — а эта информация, утверждают ученые, передается исключительно точно.

Хотелось бы верить, что это так. И что мечта человечества о телепортации не обернется реальностью известного фильма ужасов, где главный герой не заметил, как в его телепортационную кабину случайно залетела муха…

«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

Почему с Земли отправили миллионы фотонов, а до спутника добралось меньше тысячи?

Здесь все дело в расстоянии. Чем дальше летит запутанный фотон, тем больший разброс. Примерно та же ситуация, что и с пулей в автомате. И, если на летящую пулю действует ветер, то на летящий фотон – целая движущаяся атмосфера Земли. Поэтому разброс становится гораздо больше.

Даже если атмосфера не мешала бы, все равно было бы очень сложно сфокусировать лазерный луч из Земли в космос. Сами проверьте: посветите лазерной указкой себе на руку – увидите маленькую точку. А посветите на дальнюю стену – точка станет гораздо больше. Закон дифракции, ребятки.

А теперь представьте, что то же самое вам нужно проделать с поверхности Земли на ее орбиту. Конечно, там и лазер помощнее, но вам все еще нужно попасть в маленькую точку на оптике спутника. Это все еще очень сложно, поэтому большая часть фотонов выстреливает, как говорится, в молоко.

Квантовая телепортация возможна лишь на очень короткое время. Казалось бы, это очень непрактичный способ, но другого пока нет, да и этому можно найти свое применение в науке.

Ссылка на основную публикацию