квантова телепортація

Квантове телепортування не є телепортацією фізичних об'єктів, не енергією, але держави. Але в цьому випадку стани передаються таким чином, що неможливо в класичному виді. Як правило, для передачі інформації про об'єкт необхідно велика кількість комплексних вимірювань. Але вони руйнують квантовий стан, і ми не робимо його знову. Квантове телепортування використовується для передачі, передачі певного стану, що має мінімальну інформацію про нього, не “розгортання” в неї, не вимірювань і тим самим не турбувати.

квітів
Квбіт є державою, яка передається квантовою телепортацією. квантовий біт знаходиться в надпозиції двох держав. Класична держава є державою 0 або державою 1,1 км Квант знаходиться в надпозиції, і дуже важливо, поки не виміряємо його, не буде визначатися. На жаль, у нас була ставка 30% до 0 та 70% до 1. Якщо ми вимірюємо його, ми можемо отримати як 0, так і 1. Ніщо не можна сказати в одному вимірі. Але якщо ви робите 100, 1,000 цих однакових станів і виміряйте їх знову і знову, ми можемо досить точно характеризувати цей стан і побачити, що дійсно було 30 відсотків до 0 і 70 відсотків до 1.

Це приклад отримання інформації в класичному вигляді. При отриманні великої кількості даних одержувач може відтворити цей стан. Тим не менш, квантова механіка дозволяє не готувати багато штатів. Уявіть, що у нас є тільки один, унікальний, а другий - це не так. Потім в класиці перенести її не вийде. Фізично, прямо, це не завжди можливо. І в квантових механіках ми можемо використовувати ефект заплутаності.

Ми також використовуємо феномен квантової нелокалісті, тобто явище, яке неможливо в звичному світі для цього стану зникнути тут і з'являються там. І найцікавіше, що стосовно тих же квантових об’єктів є теорема про неклонування. Не можна створювати другий ідентичний стан. Ви повинні знищити одну річ для того, щоб інший з'явився.

Квантове заплутування
Що таке ефект запалювання? Це спеціально підготовлені два штати, два квантові об'єкти — квбіт. Для простоти можна взяти фотон. Якщо ці фотони відокремлюються над тривалою дистанцією, вони підкорять один одному. Що означає? Уявіть, що один фотон синій і інший зелений. Якщо ми взяли їх окремо, подивилися на них, і я отримав синій, ви отримали зелений і навпаки. Або якщо ви берете коробку взуття, яка має право і ліву взуття, ви неочікувано витягніть їх і виконайте одну взуття, щоб ви і інші мені в сумці. Я відкрив мішок і пилку, що я мав право. Так ви повинні залишити.

Чим відрізняється про квантовий випадок, що держава, яка прийшла до мене до вимірювання, не синього або зеленого — це в надпозиції синього і зеленого. Після того, як ви розбити взуття, результат вже заданий. Поки сумки перевозяться до тих пір, поки вони були відкриті, але це вже зрозуміло, що буде там. До квантових об'єктів вимірюється, нічого не було вирішено.

Якщо беремо не колір, але поляризація, тобто напрямок коливань електричного поля, можна виділити два варіанти: вертикальна і горизонтальна поляризація і +45 ° - 45 °. Якщо ви додаєте в рівних пропорціях горизонтального і вертикального, ви отримуєте +45°, якщо ви відстежуєте одну з інших, то -45°. Тепер уявіть, що таким же чином, один фотон потрапив до мене і інший удар. Я дивився на неї. Вертикальна. Так ви горизонтальні. Тепер скажи, що я бачив вертикальний, і ви подивилися на нього діагонально, що це, +45° або -45°, і ви, як правило, можете побачити або результат. Але якщо я шукав в діагональній основі і пилку +45°, я знаю, що у вас є -45°.

Ейнштейн-Подільський-Росен парадокс
Квантове заплутування асоціюється з фундаментальними властивостями квантової механіки та так званого парадоксу Ейнштейн-Подолського. Ейнштейн протестував проти квантової механіки, тому що він вважав, що природа не могла передавати державну інформацію на швидкості більше, ніж швидкість світла. Ми можемо самі зателефонувати одержувачу і узгодити зручний час. І ми ще бачимо, що кореляція.

Але насправді це не порушує теорія релятивності, оскільки ми не можемо передавати інформацію за допомогою цього ефекту. Вимірюється вертикальна або горизонтальна фотон. Але ми не знаємо заздалегідь, що це буде. Незважаючи на те, що ви не можете передавати інформацію швидше, ніж швидкість світла, заплутаність дозволяє реалізувати квантовий протокол телепортації. Що це таке? Народжена пара фотонів. Один йде на передавач, інший на приймач. Передавач виробляє спільний вимір цільового фотона його для передачі. І з четвертим шансом він отримає OK результат. Він може поспілкуватися з цим ресивером, і ресивером в той момент знає, що він має саме той же стан, як передавач. І з ймовірністю трьох кварталів він отримує інший результат - не тільки невдале вимірювання, але й просто інший результат. Але в будь-якому випадку це корисна інформація, яка може передаватися одержувачу. У трьох з чотирьох випадків ресивер повинен зробити додатковий поворот його грошових коштів, щоб отримати переданий стан. Таким чином, передається 2 біти інформації, а за допомогою яких можна зв’язати складний стан, який не може бути зашифрований ними.

Квантова криптографія
Одним з основних додатків квантової телепортації є так звана квантова криптографія. Ідея за цією технологією полягає в тому, що єдиний фотон не можна клонувати. Таким чином, ми можемо передавати інформацію в цій одиночній фотон і ніхто не може його дублювати. Більш того, будь-яка спроба когось дізнатися про цю інформацію буде змінено або знищити стан фотона. Відповідно, будь-яка спроба отримати цю інформацію стороннім особам. Це може бути використана в криптографії, у захисті інформації. Тим не менш, це не корисна інформація, яка передається, але ключ, який потім класично можна перенести інформацію надійно.

Ця технологія має один великий недолік. Справа в тому, що ми сказали перед тим, що неможливо створити копію фотон. Нормальний сигнал в оптиці волокна може бути посилений. Для квантового випадку неможливо посилити сигнал, так як підсилювач буде еквівалентно деякому інтерцектору. У реальному житті передача обмежується дистанцією близько 100 кілометрів. У 2016 році російський квантовий центр провів демонстрацію на лініях «Газпромбанк», де показали квантову криптографію на 30 кілометрах клітковини у міських умовах.

У лабораторії ми можемо показати квантову телепортацію до 327 кілометрів. Але, на жаль, довгі відстані непрактичні, тому що фотони втрачені в клітковині і швидкість дуже низька. Що робити? Ви можете покласти проміжний сервер, який отримає інформацію, розшифрування, потім знову зашифрувати і передавати далі. Наприклад, Китайська структура власної квантової криптографічної мережі. Американці використовують той же підхід.

Квантове телепортування в цьому випадку є новим методом, що дозволяє вирішити проблему квантової криптографії та збільшити відстань до тисяч кілометрів. І в цьому випадку такий же фотон, що передається, багаторазово передається телепорт. Багато груп по всьому світу працюють над цим завданням.

Квантова пам'ять
Уявіть ланцюг телепортацій. Кожен з посилань має генератор заплутаних пар, які повинні створювати і розподілити їх. Не завжди йде добре. Іноді ви повинні дочекатися, поки інша спроба парі успішна. І повинен мати місце для очікування телепортації. Це квантова пам'ять.

У квантовій криптографії є своєрідною проміжною станцією. Такі станції називають квантовими повторювачами, і тепер є одним з основних напрямків дослідження і експериментації. Це популярна тема, на початку 2010-х повторників були дуже віддалені перспективи, але зараз завдання виглядає фантастично. Це в основному завдяки тому, що технологія постійно розвивається, в тому числі через стандарти телекомунікацій.

Прогрес експерименту в лабораторії
Якщо ви йдете на квантову комунікаційну лабораторію, ви побачите багато електроніки та волоконно-оптики. Всі оптики є стандартними, телекомунікаційними, лазерами в невеликих стандартних коробках – чіпси. Якщо ви їдете в лабораторію Олександра Львовського, де, зокрема, до телепортації, ви побачите оптичний стіл, який стабілізується на пневматичних опорах. Це, якщо цей стіл, який зважує тон, доторкнувшись до пальця, він почне плавати, sway. Це тому, що техніка, яка реалізує квантові протоколи, дуже чутлива. Якщо ви покладете на жорсткі ноги і прогуляйтеся по колу, все буде на флуктуації столу. Це, відкрита оптика, досить великі дорогі лазери. В цілому це досить громіздке обладнання.

Початковий стан підготовлений лазером. Для приготування заплутаних станів використовується нелінійний кристал, який накачується пульсовим або безперервним лазером. Нелінійні ефекти виробляють пари фотон. Уявіть, що у нас є фотон енергії два – ,(2ω), він перетворений на дві фотон енергії – , ω + ,ω. Ці фотони народжуються тільки разом, одна фотон не може відокремити спочатку, потім ще. І вони пов'язані (споживані) і демонструють некласичні кореляції.

Історія та сучасні дослідження
Так, у випадку квантової телепортації, існує ефект, який ми не бачимо в повсякденному житті. Але було дуже гарне, фантастичне зображення, яке не було зручно, щоб описувати це явище, тому його називають так – квантова телепортація. Як вже згадувалося, тут немає часу, коли переселенець все ще існує, і вже з'явився. Це, спочатку знищений тут, і тільки потім з'являється там. Це телепортретація.

Квантове телепортування було запропоновано теоретично в 1993 році групою американських науковців під керівництвом Карла Беннетта - потім з'явився термін. Перша експериментальна реалізація була проведена в 1997 році двома групами фізико-фізиків в Інсбруку та Римі. Поступово вчені змогли передати стани на більшій відстані - від одного метра до сотні кілометрів і більше.

Зараз люди намагаються зробити експерименти, які можуть стати основою для квантових повторів в майбутньому. Очікується, що після 5-10 років ми побачимо реальні квантові повторювачі. У квантовому центрі, в лабораторії Олександра Львівського, також розвивається напрямок державної передачі між об’єктами різної природи. Теоретично не стоїть. У той же квантовий центр, під керівництвом Олексія Федорова, протокол телепортації розроблений не в одному напрямку, але двосторонній, так що за допомогою однієї пари одночасно до телепортних станів один до одного.

В рамках нашої роботи з квантової криптографії створюється квантовий розподіл та ключовий пристрій, тобто ми генеруємо ключ, який не можна перехоплювати. А потім користувач може зашифрувати інформацію з цим ключем за допомогою так званого одноразового ноутбука. Нові переваги квантових технологій повинні бути виявлені в найближчі десятиліття. Розробка квантових датчиків. Суть їх полягає в тому, що завдяки квантовим ефектам ми можемо вимірювати, наприклад, магнітне поле, температура, набагато більш точно. Це так звані центри НВ в діамантах є крихітними діамантами, вони мають азотні дефекти, які полягають квантовими предметами. Вони дуже схожі на заморожену атом. В такому дефекті можна спостерігати зміни температури і всередині однієї комірки. Що таке, щоб виміряти не тільки температуру під рукою, але температура органели всередині клітини.


Російський квантовий центр також має проект шпинделя. Ідея полягає в тому, що ми можемо взяти антени і почати збирати енергію дуже ефективно з фонових радіохвиль. Достатньо пам'ятати, що багато джерел Wi-Fi є в містах зараз, щоб зрозуміти, що є багато радіохвильової енергії навколо. Застосовується для зносних датчиків (наприклад, датчика цукру в крові). Вони потребують постійного живлення: як акумулятор, так і система, яка збирає енергію, включаючи мобільний телефон. Це, з одного боку, ці проблеми можна вирішити з існуючою основою елемента з певною якістю, а з іншого боку, можна застосувати квантові технології і вирішити цю проблему ще краще, навіть більш мінінатурізовані.

Квантова механіка значно змінила життя людини. Напівпровідники, атомна бомба, ядерна енергетика – це всі об’єкти, які працюють через неї. У всьому світі зараз є переконливим для контролю квантових властивостей одиночних частинок, в тому числі заплутаних. Наприклад, в телепортації беруть участь три частинки: одна пара і ціль. Але кожен з них керується окремо. Індивідуальний контроль елементарних частинок відкриває нові горизонти для технології, включаючи квантовий комп’ютер.

Юрій Курочкін, кандидат фізико-математичних наук, завідувач лабораторії квантових комунікацій російського квантового центру.

Джерело: geektimes.ru/company/postnauka/blog/281010/