Квантовая телепортация: все, что вы хотели узнать, но боялись спросить

13 Августа 2017 в 9:00, Николай Хижняк 14 919 просмотров 33

В прошлом месяце произошло сразу два интересных события в сфере квантовых технологий: китайские ученые телепортировали фотоны света с наземной станции на космический спутник и прошла ежегодная конференция ведущих экспертов квантовой физики в Москве. Изданию Business Insider удалось поймать на ней доктора Юджина Ползика из Института Нильса Бора, одного из ведущих специалистов квантовой телепортации, и расспросить его по самым разным вопросам, включая о выдающемся успехе его китайских коллег.

«Телепортации подобного рода проводились в лабораторных условиях начиная еще с 1997 года, однако китайским ученым удалось достичь этого удивительного технологического эффекта при большом расстоянии», — отметил Ползик.

В 2012 году команда европейских ученых успешно телепортировала фотоны между двумя Канарскими островами. Между передающим и принимающим устройствами расстояние составляло 141 километр. Китайским же исследователям удалось побить этот рекорд в июле, когда они успешно телепортировали фотоны на расстояние более 500 километров.

Мы давно мечтаем о подобной технологии из «Звездного пути», хотя наша интуиция всегда говорила о том, что телепортация в принципе невозможна. Однако физика нашего реального мира, в котором мы ежедневно пребываем, мало похожа на физику мира квантов. Здесь законы падающего камня с обрыва скалы и управляющие электронами и отдельными фотонами света полностью отличаются от того, что мы привыкли видеть. Поэтому в таком причудливом мире возможно практически все, в том числе и телепортация. На как во всем этом разобраться? Начать следует с квантовой запутанности.

Что такое квантовая запутанность?

Иногда две квантовые частицы оказываются зеркально связанными. Чтобы ни происходило с одной из этих частиц, то же самое будет происходить и с другой. Даже если они разделены большими расстояниями. Они по-прежнему остаются двумя отдельными объектами, но при этом являются идентичными во всем. Когда две частицы разделяют между собой свои состояния, то такие частицы называются запутанными.

«Предположим, я создал пару запутанных фотонов», — объясняет Ползик.

«Я оставляю один у себя, а другой отправляю с помощью лазера на находящийся на орбите космический спутник, надеясь на то, то фотон достигнет точки назначения. Телепортацию можно считать успешной только при разделении состояния запутанности двух фотонов между передающей и получающей станциями».

Основная техническая сложность процесса телепортации заключается в передаче фотона на некое расстояние от запутанной частицы-партнера. В случае с китайским экспериментом, один фотон находился в лаборатории на Земле, а второй был успешно отправлен к орбитальному спутнику. Изменения, произошедшие с фотоном на Земле в рамках манипуляций ученых, отразились также и на фотоне, находящемся в космосе, – это и есть квантовая телепортация в чистом виде.

Как понять, получил ли спутник нужный фотон, а не какую-то случайную частицу света?

Сделать это относительно просто благодаря процессу, называемому спектральной фильтрацией. Он позволяет ученым определить и проследить за отдельными фотонами света, маркируя их уникальным идентификационным номером.

«Вам известна частота фотона, который вы посылаете, вам известна его направленность. Спутник направлен на источник отправки, располагающийся на Земле. Если вы располагаете очень хорошим оптическим оборудованием с обеих сторон, то эта оптика видит исключительно источник, и ничего больше», — продолжает объяснение Ползик.

Метод спектральной фильтрации безразличен к «шуму» в виде других фотонов. Например, при проведении того же эксперимента на Канарских островах передача проводилась при ясном солнечном небе.

Происходила передача миллионов фотонов на спутник, но до точки назначения добрались только 900. Почему?

Чем дальше вы пытаетесь отправить запутанный фотон, тем менее эффективным становится этот процесс. Более того, атмосфера Земли находится в постоянном движении, поэтому потерять фотоны на их пути следования в открытый космос проще простого.

«Даже если бы там не было атмосферы, вам по-прежнему необходимо фокусировать луч света, чтобы он был направлен на спутник. Если посветить лазерной указкой на ладонь, то точка света будет маленькой, но стоит только удалить лазер, и точка становится больше – это закон дифракции», — говорит Ползик.

С земли свету довольно сложно пробиться к космосу (к оптическому приемнику, установленному на орбитальный спутник). Он сильно искажается, поэтому большинство фотонов просто уходит в никуда.

«Добиться успешной телепортации можно лишь на очень коротком промежутке времени. В общем смысле это очень непрактично, но тем не менее способы применения данной технологии можно найти», — продолжает Ползик.

Квантовая телепортация – это возможность мгновенной передачи данных?

Не совсем. Телепортируемые объекты не исчезают, а затем вновь появляются где-то еще. Ученые используют состояние запутанности для передачи информации о квантовом состоянии одного фотона на другой. Без этой информации фотону придется физически преодолевать всю дистанцию между передатчиком и приемником. И опять же, информация не передается мгновенно. Такое возможно только тогда, когда отправитель проводит измерение квантового состояния своего фотона, тем самым изменяя состояния фотона на приемнике. Из-за квантовой запутанности по сути один фотон «становится» другим фотоном.

Так для чего все это нужно?

Квантовая телепортация способна доказать концепт возможности создания сверхзащищенной мировой коммуникационной сети. Как ключ, открывающий замок, сообщение переданное по квантовой сети достигнет только того адресата, который обладает правильно запутанным фотоном, который позволит это сообщение получить и прочитать.

Альберт Эйнштейн однажды назвал квантовую запутанность «жутким дальнодействием», но это дальнодействие является фундаментальным компонентом, благодаря которому все работает. И однажды он может стать драйвером нашего безопасного общения в будущем.

Квантовая телепортация: все, что вы хотели узнать, но боялись спросить

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

33 комментария

  1. KovART

    Хотелось бы все таки телепорта, как в HL. Чтоб зашел в будку и хоп! Ты уже в другом городе. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  2. anton.murmansk

    "...хорошим оптическим оборудованием с обоих сторон"

  3. ERMAK53

    Вопрос не в том как передать на дальнее расстояние фотон, а как измерить именно то состояние, которое нам нужно? ведь это абсолютно не управляемо. Да и назвать это телепортацией нельзя, скорее клонирование того, чего кванты сами захотят. (напомнило мне фрагмент из детства, когда парень взял веточку и начал размахивать так, будто у него бита с гвоздями)

  4. dmitry.nest

    Объясните пожалуйста для непонятливых, немного не догоняю. Если запутать 2 частицы, разработать технологию, чтобы вторую частицу поместить на ракету и отправить ракету в другую солнечную систему, то такая ракета достигнув другой солнечной системы сможет мгновенно передавать информацию на Землю, даже если это будет 1 бит информации? Без всяких так посредственных видов связи - лазер или радиоволны из-за которых пришлось бы ждать несколько лет, пока сигнал дойдет.

    • Lumen

      Нет, частицы запутываются при разделении. Состояние одной можно узнать, посмотрев на вторую. И всё. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

      • Strim

        Не только - в случае перехвата, воспроизвести запутанность и отослать такую же частицу дальше уже невозможно. Иначе получилось бы как в примере с носками (берём два носка, левый и правый, отправляем один из них в коробке, вскрываем по прибытии - вуаля, зная состояние первого носка, мы узнаем состояние второго). Все преимущество частиц перед носками сводится именно к невозможности перехвата.

  5. Klassarobit

    Всему есть последствия, а Эйнштейн был прав .. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  6. Dinosaur

    Если вопрос в одном бите информации то да. Если, например, использовать пару как "пожарную кнопку" то, при условии, что запутанность сохраняется неограниченное время, можно находясь на Земле моментально узнать, что произошёл пожар на Марсе. Как то так.. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • resurrected

      Ни как вы не узнаете, ни про пожар ни про что то ещё. Квантовой запутанностью нельзя передавать информацию, даже одного бита не получиться, точка. Состояние при чтении рандомное, но якобы (или не якобы) рандомность эта определяется на этапе запутывания, и сохраняется до коллапса волновой функции т.е. до чтения.

      • resurrected

        Поправлюсь:
        Рандомность сохраняется вплоть до факта чтения. То есть состояние частиц остается неопределённым до факта чтения (что отличает от аналогии с перчатками). И только при чтении одной из частиц вторая принимает (типа мгновенно) противоположенное значение.

        • Strike529

          А квантовый комп?

        • ERMAK53

          Вы о чем говорите? Рандомность не может определяться, определяется информация по факту чтения. И что значит не получится передать даже бит? Бит - есть состояние 0 или 1, что и показывает нам спин фотона при его чтении.

          • resurrected

            Если-бы запутанностью можно было передавать хоть один бит, это бы означало передачу информации быстрей скорости света, и у физиков бы начались большие проблемы.

            • ERMAK53

              Еще пока они не нашли способ передавать ту информацию которая нужна именно им, но согласование спинов передает сигнал. Это вроде сюрприза, но все же информация. Проблемы у физиков уже начались с момента опыта Юнга, и многие из них уже решили, например Джон Белл доказал неправоту Эйнштейна с его ужасающей несуществующей луной.

          • resurrected

            Чтение вашего бита(спина) не является передачей информации.

            • resurrected

              .. на запутанную частицу.

            • ERMAK53

              Измерение не является, но есть такое понятие как унитарная квантовая операция (к слову ответ на вопрос про квантовые компьютеры), если вам нужно по зарез передать информацию через квантовый бит, существует такая возможность, хотя это и не чтение, но конкретная информация передается. Также известно как квантовый вентиль или что-то в этом роде

              • resurrected

                Про квантовые компьютеры я прекрасно знаю, и информация на квантовый уровень и обратно, там передаётся со скоростью не выше скорости света, и никакого жуткого дальнодействия там нету. Просто делитанты мешают в кучу, классическую передачу информации на квантовый уровень и обратно со скоростью ниже света, и квантовую запутанность которая передаёт рандом типа мгновенно, но который нельзя считать передачей информацией.

                • ERMAK53

                  не скажите, там также серьезную роль играет "рандомность" (правильно суперпозиция), и запутанность

    • amd212

      Если делать все ставки на состояние одного единственного фотона, то можно и проиграть. Он может оказаться случайно не запутанным или спонтанно поменять своё состояние в процессе доставки к вам.

  7. storm X

    одно дело невидимые микрофотоны, а совсем другое -материя, как напрмер, яблоко из первого Трона 1982, котое отсканировали и переместили в виртуальность (при этом, реальное яблоко буквально испарилось в нашей реальности)

  8. uran

    Осталось самое простое - разбирать что/кого-то на частицы, передавать и там собирать. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  9. baa

    Надо сначала запутать фотоны, потом рецензентов, а потом инвесторов. Распутывать будет следующее поколение.

  10. dima34

    Оставляя себе правый носок и отправляя на орбиту 900 других неужели среди них окажешься только один левый?, а остальные все правые. Это надо постораться. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.