квантовое путешествие

Рассказываем, что такое кротовые норы, как работает квантовая телепортация, какие фейки о ней существуют и где она используется уже сегодня

⏰ Время на чтение: 7–9 минут

Телепорта́ция (др.-греч.  «далеко» + лат.  «нести») — гипотетическое изменение координат объекта (перемещение), при котором траектория объекта не может быть описана математически непрерывной функцией времени. Наблюдается квантовая телепортация, но также были описаны несколько других видов телепортации (дырочная телепортация).

Время на прочтение

— это телепортирование не физических объектов, не энергии, а состояния. Но в данном случае состояния передаются таким образом, каким в классическом представлении это сделать невозможно. Как правило, для передачи информации о каком-то объекте требуется большое количество всесторонних измерений. Но они разрушают квантовое состояние, и у нас нет возможности повторно его измерить. Квантовая телепортация используется для того, чтобы передать, перенести некое состояние, обладая минимальной информацией о нем, не «заглядывая» в него, не измеряя и тем самым не нарушая.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 17 сентября 2020 года; проверки требуют 15 правок.

Ква́нтовая телепорта́ция — передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в пространстве запутанной пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения и воссоздаётся в точке приёма.

Квантовая телепортация не передаёт энергию или вещество на расстояние.
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».

Представим себе цепочку телепортаций. В каждом из звеньев есть генератор запутанных пар, который должен их создавать и распределять. Это не всегда удачно происходит. Иногда нужно ждать, пока успешно произойдет очередная попытка распределения пар. И у кубита должно быть какое-то место, где он подождет телепортации. Это и есть квантовая память.

В квантовой криптографии это своего рода промежуточная станция. Называются такие станции квантовыми повторителями, и они сейчас являются одним из основных направлений для исследований и экспериментов. Это популярная тема, в начале 2010-х повторители были очень отдаленной перспективой, но сейчас задача выглядит реализуемой. Во многом потому, что техника постоянно развивается, в том числе за счет телекоммуникационных стандартов.

Что такое телепортация

Телепортация (от греческого «далеко» и латинского «нести») — гипотетическое мгновенное перемещение объекта на любое расстояние со скоростью быстрее скорости света. Этот термин ввел в употребление американский публицист, исследователь «непознанного», Чарльз Хой Форт после публикации в 1931 году книги «Вулканы небес» о парапсихологии и сверхъестественном. Правда тогда понятие имело мало общего с наукой.

Когда мы думаем о способах телепортации, первое, что приходит в голову — кротовые норы (они же червоточины), которые не отрицает теория относительности. Согласно ней, наша Вселенная изгибается в четвертом пространственном измерении, и в некоторых местах возможны пограничные зоны, где пространство удалено друг от друга, но при этом приближается довольно близко друг к другу сквозь четвертое измерение. При определенных условиях две разные точки трехмерного пространства сольются в одну через дополнительное измерение, образуя тоннель. Шагнул в такое — и переместился мгновенно на миллиарды световых лет. Казалось бы, все просто, но для того, чтобы человека в этом тоннеле не «размазало», его стенки нужно укрепить специальной материей, которая и будет держать их в стабильном состоянии. А такой материи у людей пока нет.


КВАНТОВОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ

Второй способ телепортации — квантовый. Доказал, что она возможна, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, который, однако, пытался заявление о возможности телепортации опровергнуть. О том, что такое квантовая телепортация и как она работает, поговорим подробнее.

Кубит — это и есть состояние, которое передается при квантовой телепортации. Квантовый бит находится в суперпозиции двух состояний. Классическое состояние находится, например, либо в состоянии 0, либо в состоянии 1. Квантовое находится в суперпозиции, и, что очень важно, пока мы его не измерим, оно не будет определено. Представим себе, что у нас был кубит на 30% — 0 и на 70% — 1. Если мы его измерим, мы можем получить как 0, так и 1. За одно измерение нельзя ничего сказать. Но если приготовить 100, 1000 таких одинаковых состояний и раз за разом их измерять, мы можем достаточно точно охарактеризовать это состояние и понять, что действительно там было 30% — 0 и 70% — 1.

Это пример получения информации классическим способом. Получив большое количество данных, адресат может воссоздать это состояние. Однако квантовая механика позволяет не готовить много состояний. Представим себе, что оно у нас есть только одно, уникальное, а второго такого нет. Тогда в классике передать его уже не получится. Физически, напрямую, это тоже не всегда возможно. А в квантовой механике мы можем использовать эффект запутанности.

Мы также используем явление квантовой нелокальности, то есть явление, которое невозможно в привычном для нас мире, для того чтобы здесь это состояние исчезло, а там появилось. Причем самое интересное, что применительно к тем же квантовым объектам существует теорема о неклонировании. То есть невозможно создать второе идентичное состояние. Надо уничтожить одно, чтобы появилось другое.

Телепортация в академических теориях и публикациях

В академических публикациях термином «телепортация» чаще всего пользуются в контексте копирования свойств исходного объекта. Такая традиция пришла из ранней научной фантастики (см. Транспортный луч), в которой такой способ был единственным наукообразным способом представить действие телепортации.

Квантовая телепортация — яркий пример использования термина «телепортация» в узком академическом смысле. Здесь сами объекты не переносятся, из-за чего смысл употребления термина может ввести неподготовленного человека в заблуждение. Если разобрать опыт с квантовой телепортацией по сути, то в нём лишь переносятся свойства (к примеру, значение спи́на) частицы А на точно такую же частицу Б, находящуюся в некотором удалении.

История и актуальные исследования

Итак, в случае квантовой телепортации наблюдается эффект, который в ежедневной жизни мы наблюдать не можем. Но зато был очень красивый, фантастический образ, который как нельзя кстати подходил для описания этого явления, поэтому и назвали так — квантовая телепортация. Как уже было сказано, нет момента времени, когда здесь кубит еще существует, а там он уже появился. То есть сначала здесь уничтожено, а только потом там появляется. Это и есть та самая телепортация.

Квантовая телепортация была предложена теоретически в 1993 году группой американских ученых под руководством Чарльза Беннета — тогда и появился этот термин. Первая экспериментальная реализация была проведена в 1997 году сразу двумя группами физиков в Инсбруке и Риме. Постепенно ученым удавалось передавать состояния на все большее расстояние — от одного метра до сотен километров и более.

Сейчас люди пытаются делать эксперименты, которые, возможно, в будущем станут основой для квантовых повторителей. Ожидается, что спустя 5–10 лет мы увидим реальные квантовые повторители. Развивается и направление передачи состояния между объектами разной природы, в том числе в мае 2016 года была проведена гибридная квантовая телепортация в Квантовом центре, в лаборатории Александра Львовского. Теория тоже не стоит на месте. В том же Квантовом центре под руководством Алексея Федорова разрабатывается протокол телепортации уже не в одну сторону, а двунаправленный, чтобы с помощью одной пары сразу одновременно навстречу друг другу телепортировать состояния.

В рамках нашей работы над квантовой криптографией создается квантовое устройство распределения и ключа, то есть мы генерируем ключ, который невозможно перехватить. А дальше уже пользователь может зашифровать этим ключом информацию, используя так называемый одноразовый блокнот. Новые преимущества квантовых технологий должны раскрыться в ближайшее десятилетие. Развивается создание квантовых сенсоров. Их суть в том, что за счет квантовых эффектов мы можем гораздо точнее измерять, например, магнитное поле, температуру. То есть берутся так называемые NV-центры в алмазах — это крошечные алмазы, в них есть азотные дефекты, которые ведут себя квантовые объекты. Они очень похожи на замороженный одиночный атом. Смотря на этот дефект, можно наблюдать изменения температуры, причем и внутри одиночной клетки. То есть измерить не просто температуру под мышкой, а температуру органеллы внутри клетки.

В Российском квантовом центре также есть проект спинового диода. Идея такова, что мы можем взять антенну и начать очень эффективно собирать энергию из фоновых радиоволн. Достаточно вспомнить, сколько Wi-Fi-источников сейчас в городах, чтобы понять, что энергии радиоволн вокруг очень много. Ее можно использовать для носимых датчиков (например, для датчика уровня сахара в крови). Для них нужна постоянная энергетическая подпитка: либо батарейка, либо такая система, которая собирает энергию, в том числе от мобильного телефона. То есть, с одной стороны, эти задачи можно решать с существующей элементной базой с определенным качеством, а с другой стороны, можно применить квантовые технологии и решить эту задачу еще лучше, еще более миниатюрно.

Квантовая механика очень сильно изменила человеческую жизнь. Полупроводники, атомная бомба, атомная энергетика — это все объекты, работающие благодаря ей. Весь мир сейчас бьется над тем, чтобы начать управлять квантовыми свойствами одиночных частиц, в том числе запутанных. Например, в телепортации участвуют три частицы: одна пара и целевая. Но каждая из них управляется отдельно. Индивидуальное управление элементарными частицами открывает новые горизонты для техники, в том числе квантовый компьютер.

, кандидат физико-математических наук, глава лаборатории квантовых коммуникаций Российского квантового центра.

Ход эксперимента в лаборатории

Если вы придете в лабораторию квантовых коммуникаций, то вы увидите много электроники и волоконную оптику. Вся оптика стандартная, телекоммуникационная, лазеры в маленьких стандартных коробочках — чипах. Если вы зайдете в лабораторию , где, в частности, делают телепортацию, то вы увидите оптический стол, который стабилизирован на пневмоопорах. То есть если этот стол, который весит тонну, потрогать пальцем, то он начнет плавать, покачиваться. Это сделано по причине того, что техника, которая реализует квантовые протоколы, очень чувствительна. Если вы поставите на жесткие ножки и будете ходить вокруг, то это все будет по колебаниям стола. То есть это открытая оптика, достаточно большие дорогие лазеры. В целом это достаточно громоздкое оборудование.

Исходное состояние готовится лазером. Для подготовки запутанных состояний используется нелинейный кристалл, который накачивается импульсным или непрерывным лазером. За счет нелинейных эффектов рождаются пары фотонов. Представим себе, что у нас есть фотон энергии два — ℏ(2ω), он преобразуется в два фотона энергии один — ℏω+ ℏω. Эти фотоны рождаются только вместе, не может сначала отделиться один фотон, потом другой. И они связаны (запутаны) и проявляют неклассические корреляции.

Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена

Квантовая запутанность связана с фундаментальными свойствами квантовой механики и так называемым парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена. Эйнштейн так долго протестовал против квантовой механики, потому что считал, что природа не может со скоростью, большей скорости света, передавать информацию о состоянии. Мы же можем разнести фотоны очень далеко, например на световой год, а открывать одновременно. И мы все равно увидим эту корреляцию.

Но на самом деле теорию относительности это не нарушает, потому что информацию с помощью этого эффекта мы передать все равно не можем. Измеряется либо вертикальный, либо горизонтальный фотон. Но неизвестно заранее, какой именно он будет. Несмотря на то что нельзя передавать информацию быстрей скорости света, запутанность позволяет реализовать протокол квантовой телепортации. В чем он заключается? Рождается запутанная пара фотонов. Одна направляется к передатчику, другая — к приемнику. Передатчик производит совместное измерение целевого фотона, который он должен передать. И с вероятностью ¼ он получит результат OK. Он может сообщить об этом получателю, и получатель в этот момент узнает, что у него точно такое же состояние, как было у передатчика. А с вероятностью ¾ он получает другой результат — не то чтобы неуспешное измерение, а просто другой результат. Но в любом случае это полезная информация, которую можно передать получателю. Получатель в трех из четырех случаев должен произвести дополнительный поворот своего кубита, чтобы получить передаваемое состояние. То есть передается 2 бита информации, и при помощи них можно телепортировать сложное состояние, которое ими закодировать нельзя.

Научно-фантастические мечты

И все же Хотта удовлетворен не полностью. Он хвалит эксперименты как важный первый шаг. Но он рассматривает их как квантовые симуляции в том смысле, что запутанное поведение запрограммировано в основное состояние — с помощью радиоимпульсов или операций квантовых компьютеров. Его цель — собрать энергию нулевой точки из системы, основное состояние которой естественным образом характеризуется запутанностью так же, как фундаментальные квантовые поля.

С этой целью Хотта и Юса продвигают свой эксперимент. В ближайшие годы они надеются показать телепортацию квантовой энергии на поверхности кремния с токами на краях, а также с внутренне запутанным основным состоянием. Поведение такой системы близко к поведению электромагнитного поля.

Между тем у каждого физика есть свое видение того, для чего может быть полезна энергетическая телепортация. Родригес-Брионес подозревает, что помимо помощи в стабилизации квантовых компьютеров, телепортация энергии продолжит играть важную роль в изучении тепла, энергии и запутанности в квантовых системах. В конце января Икеда опубликовал еще одну статью, в которой подробно описывается, как использовать телепортацию энергии в квантовом интернете.

Мартин-Мартинес продолжает преследовать свои научно-фантастические мечты. Он объединился с Эриком Шнеттером, экспертом по моделированию в области общей теории относительности в Институте Периметра, чтобы точно рассчитать, как пространство-время отреагирует на определенное расположение отрицательной энергии.

Некоторые исследователи считают его поиски интригующими. « Это похвальная цель, — усмехнулся Ллойд. — В некотором смысле с научной точки зрения не заняться этим было бы безответственно. Отрицательная плотность энергии имеет очень важные последствия».

Другие ученые предупреждают: «Наши представления в отношении квантовых корреляций все еще развивается, — говорит Унру. — Человек постоянно удивляется тому, что происходит на самом деле, когда может выполнить расчеты».

Хотта не тратит слишком много времени на размышления о лепке пространства-времени. Сейчас он доволен тем, что его расчеты квантовой корреляции 2008 года установили подлинное физическое явление.

«Это настоящая физика, — сказал он, — а не научная фантастика».


КВАНТОВОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ

Квантовая телепортация

Квантовая телепортация означает возможность мгновенной передачи состояния с одной частицы на другую независимо от того, как далеко друг от друга они находятся. Обязательным условием для проведения квантовой телепортации является наличие набора одинаковых атомов в точке отправления состояния и в точки получения состояния. То есть квантовая телепортация не имеет ничего общего с материальным перемещением объекта.

Профессор физфака МГУ Сергей Вятчанин — о квантовой телепортации и квантовой запутанности

Эйнштейн открыл это явление в 1935 году в соавторстве с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном. Ученые доказали, что состояние двух частиц А и Б, однажды провзаимодейстовавших и разлетевшихся в разные направления после соударения, зависит друг от друга на любом расстоянии и эта зависимость проявляется мгновенно. Например, у нас есть две частицы А и Б, они однажды были во взаимодействии, и мы знаем, что сумма их спинов (моментов импульса) всегда равна нулю, при этом спин частицы А направлен вверх, а спин Б — вниз. Как бы далеко мы не разнесли эти частицы, при изменении спина частицы А вниз, спин частицы Б будет мгновенно направляться вверх.

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 и (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 , 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 и (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.

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.

Перехватить передаваемую информацию принципиально невозможно; если «злоумышленник» попытается проследить за эволюцией запутанной пары B и C, то он тут же разрушит её запутанность.

Ученые телепортируют энергию при помощи квантовой механики

Протокол телепортации квантовой энергии предложен в 2008 году и по большей части был проигнорирован. Но сегодня два независимых эксперимента показали, что он работает. 15 лет назад физик-теоретик из Университета Тохоку в Японии Масахиро Хотта предположил, что вакуум можно заставить что-то нам дать.

Многие исследователи проигнорировали эту работу, подозревая, что получение энергии из вакуума в лучшем случае невозможно. Однако более внимательные ученые поняли, что Хотта предлагал несколько иной квантовый трюк. Энергия возникает не просто так; ее нужно разблокировать, используя данные, полученные в другом месте в обмен на энергию. С этой точки зрения метод Хотты выглядит не столько как генерация, сколько как телепортация энергии.

«Это был настоящий сюрприз, — сказал Уильям Унру, который сотрудничал с Хоттой, но не участвовал в исследованиях. — Отличный результат».

В 2022 году ученые, подтвердив теорию Хотты, телепортировали энергию в двух отдельных квантовых устройствах на микроскопические расстояния. Исследование не оставляет сомнений в том, что телепортация энергии — установленное квантовое явление.

«Это проверка, — считает квантовый физик из Массачусетского технологического института Сет Ллойд, который не участвовал в исследовании. — Телепортация происходит, энергия извлекается».

Прыжок


КВАНТОВОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ

Экспериментальный тест протокола телепортации провели на квантовом компьютере IBM, который показали на выставке Consumer Electronics Show 2020 в Лас-Вегасе

Мартин-Мартинес, полушутя называющий себя «инженером пространства-времени», давно чувствует тягу к физике на грани научной фантастики. Он мечтает найти физически правдоподобные способы создать червоточины, варп-двигатели и машины времени: все они сводится к форме пространства-времени, существование которой допускается очень гибкими уравнениями общей теории относительности. Но эти уравнения недопустимы из-за ограничений, которые известные физики Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг наложили на общую теорию относительности.

Главная заповедь Хокинга-Пенроуза — плотность энергии не может быть отрицательной. Но, слушая презентацию Хотты, Мартин-Мартинес понял, что это немного похоже на отрицательное значение энергии. Эта концепция пришлась по вкусу поклоннику технологий Star Trek, он погрузился в работу Хотты.

И вскоре физик понял, что телепортация энергии может помочь решить проблему его коллег в области квантовой информации — Реймонда Лафламма, физика из Ватерлоо, и Найели Родригес-Брионес, в то время студентку Лафламма. У двух ученых были более приземленные цели: взять кубиты — строительные блоки квантовых компьютеров и как можно сильнее охладить их. Холодные кубиты — это надежные кубиты, но ученые столкнулись с теоретическим пределом, за которым извлечь больше тепла казалось невозможным — подобно тому, как Боб столкнулся с вакуумом, из которого, казалось, получить энергию нельзя.


КВАНТОВОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ

В 2022 году группа Рэймонда Лафламма из Университета Ватерлоо утвердила протокол телепортации квантовой энергии

Мартин-Мартинес столкнулся с большим скепсисом, но со временем ученые становились восприимчивыми. Они стали изучать квантовую телепортацию энергии, а в 2017 году предложили метод, позволяющий отводить энергию кубитов, чтобы охладить их сильнее, чем это делали прежние методы. Но «все это была теория, — рассказывает Мартин-Мартинес. — Никакого эксперимента не было». Мартин-Мартинес, Родригес-Брионес, Лафламм и Хемант Катияр решили это изменить.

Ученые обратились к ядерному магнитному резонансу, где для управления квантовыми состояниями атомов в большой молекуле используются мощные магнитные поля и радиоимпульсы. Несколько лет ученые потратили на планирование эксперимента, а в разгар пандемии Катияр устроил телепортацию энергии между «Алисой» и «Бобом» — двумя атомами углерода.

Точно настроенная серия радиоимпульсов переводит атомы углерода в определенное основное состояние с минимальной энергией. Это состояние характеризуется запутанностью двух атомов. Энергия нулевой точки для системы определялась начальной объединенной энергией Алисы, Боба и энергией их запутанности.

Ученые отправили одиночный радиоимпульс Алисе и третьему атому, одновременно измерив положения Алисы и передав информацию в атомарное «текстовое сообщение». Наконец, другой импульс, направленный на Боба и на промежуточный атом, одновременно передал сообщение Бобу и способствовал измерению, завершая манипуляции с энергией.

Четверо ученых повторили эксперимент много раз, на каждом этапе выполняя множество измерений, что позволило реконструировать квантовые свойства трех атомов на протяжении всей процедуры. В конце концов они подсчитали, что энергия атома углерода Боба в среднем уменьшилась, и, таким образом, она была извлечена и выпущена в пространство. Это произошло несмотря на то, что атом Боба в начале эксперимента всегда находился в своем основном состоянии. От начала до конца протокол занял не более 37 миллисекунд. Но для того чтобы энергия переместилась с одной стороны молекулы на другую, обычно требовалось более чем в 20 раз больше времени, а это почти полная секунда. Потраченная Алисой энергия позволила Бобу разблокировать энергию, иначе недоступную.

«Было очень приятно, что с помощью современных технологий можно наблюдать активацию энергии», — сказал об этом Родригес-Брионес, ныне занятый в Калифорнийском университете в Беркли.

Первую демонстрацию телепортации квантовой энергии ученые описали в препринте, который опубликовали в марте 2022 года; исследование принято для публикации в Physical Review Letters.


КВАНТОВОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ

Наели Родригес-Брионес считает, что эти системы можно использовать для изучения тепла, энергии и запутанности в квантовых системах

Вторая демонстрация прошла через 10 месяцев. За несколько дней до Рождества Казуки Икеда, исследователь квантовых вычислений из Университета Стоуни-Брук, смотрел на YouTube видео, в котором упоминалась беспроводная передача энергии. Ученый задался вопросом, можно ли сделать что-то подобное с помощью квантовой механики. Икеда вспомнил работу Хотты (одного из его профессоров во времена обучения в Университете Тохоку) и понял, что может запустить протокол телепортации квантовой энергии на платформе квантовых вычислений IBM.

За несколько дней Казуки написал и удаленно выполнил именно такую ​​программу. Эксперименты подтвердили, что энергия кубита Боба упала ниже энергии основного состояния. А к 7 января Хотта опубликовал результаты в препринте.

Итак, спустя почти 15 лет после того, как Хотта впервые описал энергетическую телепортацию, две простые демонстрации с интервалом менее года доказали, что она возможна.

«Документы эксперимента прекрасно оформлены, — подмечает Ллойд. — Я был несколько удивлен, что никто не сделал этого раньше».

Телепортация в России и в мире сегодня

Опрошенные эксперты утверждают: у квантовой телепортации есть колоссальный технологический потенциал, и лежит он, в основном, в области связи и вычислительной техники. По словам руководителя научной группы «Квантовые информационные технологии» в Российском квантовом центре Алексея Федорова, одно из направлений, которым сегодня занимаются физики — увеличение расстояния для квантовых коммуникаций. Ученым это необходимо для создания криптографических ключей, которые используются для интернет-соединения и в мобильных банках.

«Сегодня для выработки криптографических ключей используются определенные классы математических алгоритмов, однако такой способ будет неустойчивым для атак с квантовым компьютером. Когда появится квантовый компьютер достаточной мощности, мы не сможем использовать нынешнее поколение математических алгоритмов, а вот квантовое распределение ключей абсолютно устойчивое», — говорит Федоров.

Одно из технических ограничений для использования квантового распределения ключей — это расстояние, на которое ключ может быть передан. « Сейчас максимальное расстояние распределения ключей с разумной скоростью составляет 100-200 км, и связано это с затуханием в канале передачи квантовых состояний (например, оптоволокне), то есть часть фотонов просто теряется. Чтобы это предотвратить, нужны квантовые повторители, которые могут строиться на основе квантовой телепортации. Поэтому эксперименты с квантовой телепортацией могут помочь нам увеличить расстояние для квантового распределения криптографических ключей», — объясняет Федоров.

За последние десятилетия ученые в мире регулярно делают новые открытия в квантовых коммуникациях. В конце 2019 года исследователи из Бристольского университета в Великобритании и Датского технического университета впервые смогли передать состояние между двумя чипами. Эти чипы, по заявлению ученых, способны кодировать квантовую информацию в свете и обрабатывать ее с высокой эффективностью и низким уровнем шума. Изобретение поможет человечеству создавать более сложные схемы для квантовых вычислений и коммуникаций.

Одним из научных центров в России, где сегодня изучают квантовую телепортацию, является Российский квантовый центр; там исследования ведутся группой ученых под руководством Александра Львовского. Схожие эксперименты проходят в лаборатории квантовой оптики Московского государственного университета.

На мировом уровне квантовой телепортацией занимается группа Юджина Ползика в институте Нильса Бора в Копенгагене, группа Антона Цайлингера в Австрии, Михаила Лукина в Гарвардском университете и группа Цзянь-Вэй Пана в Китае. Последней принадлежит рекорд по расстоянию передачи квантовой телепортации на 1 200 км.

Квантовое доверие

Первым скептиком квантовой телепортации энергии оказался сам Хотта. В 2008 году он искал способ измерения прочности квантовой запутанности, когда два или более объектов обладают единым квантовым состоянием, заставляющим их вести себя как два связанных объекта вопреки огромным расстояниям.

Запутанность отличается тем, что спроектировать связанное поведение и при этом управляться с одним и другим объектом отдельно нельзя.


КВАНТОВОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ

Масахиро Хотта предложил протокол телепортации квантовой энергии в 2008 году

Изучая черные дыры, Хотта пришел к выводу, что ключом к измерению запутанности может оказаться отрицательная энергия. Черные дыры сжимаются, испуская запутанное в них излучение. Хотта отметил, что отрицательная энергия и запутанность, по-видимому, тесно связаны. Чтобы укрепиться во мнении, он решил доказать, что отрицательная энергия — подобно запутанности — не может возникнуть из-за независимых действий в разных местах.

К своему удивлению, Хотта обнаружил, что простая последовательность событий действительно может заставить квантовый вакуум потерять энергию, которой у него, видимо, не было. « Сначала я подумал, что ошибся, — сказал он, — поэтому снова посчитал и проверил логику. Но не смог найти ни одного недостатка».

И все же Хотта, похоже, нашел спуск для такого автомобиля. Он понял, что достаточно использовать внутреннюю запутанность в потрескивании квантового поля.

Непрекращающиеся флуктуации вакуума нельзя использовать, скажем, для питания вечного двигателя, ведь они совершенно случайны. Если представить подключенную к вакууму квантовую батарею, то половина флуктуаций будет заряжать устройство, а другая — разряжать его.

Но квантовые поля запутаны, то есть флуктуации в одном месте имеют тенденцию совпадать с флуктуациями в другом месте. В 2008 году Хотта опубликовал статью, в которой описал, как два физика, Алиса и Боб, могут использовать эти корреляции, чтобы извлекать энергию из окружающего Боба основного состояния.

Боб хочет зарядить квантовую батарею, но все, что у него есть, — это пустое пространство. К счастью, у Алисы — полностью оборудованная физическая лаборатория в отдалении. Алиса измеряет поле в своей лаборатории, вводя в него энергию и изучая его колебания. Этот эксперимент выводит общее поле физиков из основного состояния, но, насколько может судить Боб, его вакуум остается в состоянии минимальной энергии и флуктуирует беспорядочно.

Алиса отправляет Бобу сообщение с выводами о вакууме вокруг нее: она говорит Бобу, когда подключать батарею. Позже Боб сможет использовать знания Алисы, чтобы извлечь энергию из вакуума — вплоть до количества, с которым работала Алиса.

«Эта информация позволяет Бобу, если хотите, определять время колебаний», — сказал Эдуардо Мартин-Мартинес, физик-теоретик из Университета Ватерлоо и Института Периметра, который работал над одним из новых экспериментов. Он добавил, что из-за абстрактной природы квантовых полей понятие времени скорее метафорическое, чем буквальное.

Боб не может извлечь больше энергии, чем вложила Алиса (ни один эффект не распространяется быстрее света). Протокол не нарушает никаких основополагающих физических принципов.

Но публикацию Хотты встретили тишиной в ответ. Машины, использующие энергию нулевой точки вакуума, — основа научной фантастики, и предложенный метод раздражал физиков, уставших выдвигать сумасшедшие предложения о таких машинах. Но Хотта был уверен, что что-то понял, и продолжал разрабатывать и продвигать ее. Его поддержал Унру, получивший известность благодаря открытию другого странного поведения вакуума.

«Такого рода вещи понятны мне почти без раздумий, — сказал Унру, — с квантовой механикой можно делать странное».

Хотта также искал способ проверить это. Он связался с Го Юсой, экспериментатором и специалистом по конденсированным средам в Университете Тохоку. Позже Хотта и Юса провели эксперимент в полупроводниковой системе с запутанным основным состоянием, подобным состоянию электромагнитного поля.

После получения финансирования на первоначальный эксперимент землетрясение Тохоку в марте 2011 года и цунами опустошили восточное побережье Японии, коснувшись и Университета Тохоку. Новые толчки последних лет дважды повредили хрупкое оборудование. Сегодня ученые опять начинают с нуля.

Телепортация в массовой культуре

Основная статья: Телепортация в фантастике

Критика транспортного луча

В мире есть много нашумевших примеров телепортации, которые на деле оказались фейками. Один из самых громких примеров — телепортация матки муравьев атта. Данное явление было открыто натуралистом Айвеном Сандерсоном. Он проводил серию опытов — помещал женскую особь насекомого, отмеченную красной краской, в бункер. Когда бункер был открыт, особь оставалась в нем, но как только бункер закрывали, матка тут же исчезала и ученые находили ее в нескольких метрах от места опыта. Впрочем, современная наука не допускает возможности телепортации макроскопических тел; физики не подтвердили опыты Сандерсона.

Еще один пример — телепортация американского военного корабля. По легенде, в 1943 году ВМС США проводил эксперимент с эсминцем «Элдридж», который вначале находился в американском городе Норфолке и в этот же день «телепортировался» на 320 км в Филадельфию. Факт проведения эксперимента по телепортации ВМС США опровергли, а «мгновенное» перемещение корабля мореплаватели объяснили наличием канала, по которому эсминец мог быстро добраться из одного города в другой.

Но есть и реальные случаи телепортации — квантовой, — возможность которых доказана и объяснена физиками. В 1997 году под руководством Антона Цайлингера из Инсбрукского университета и Франческо де Мартини из Римского университета прошла первая в мире экспериментальная квантовая телепортация поляризационного состояния фотона. А уже в 2004 году физики Венского университета телепортировали фотоны на расстояние 600 м через Дунай.


КВАНТОВОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ

Возможна ли передача данных быстрее скорости света?

Для начала давайте введем основные понятия:

Чтобы лучше понять, что это и как это работает, давайте для примера возмём простейшую квантовую систему, состоящую из одного фотона со спином вверх:

Это вполне себе такой обычный фотон, который можно произвести в любой лаборатории. Заметьте, что я записал вектор состояния фотона со спином вверх как вектор кубита 0 в базе

: спин фотона будет являться кубитом (квантовым битом информации) в нашем путешествии по квантовому миру.

Теперь давайте введём эту систему в состояние суперпозиции с помощью преобразования Адамара:

Далее, давайте померяем спин нашего фотона. Как было сказано ранее, измерение будет проводиться в базе

Это и есть состояние квантовой суперпозиции: до измерения, система находится в нескольких состояниях базы одновременно (т.е. вектор состояния системы равен сумме векторов базы с различными коэффициентами), а во время измерения «схлопывается» в одно из состояний базы с какой-то вероятностью. Никакой магии, просто числа.

Теперь давайте посмотрим, что такое квантовая запутанность. Для этого нам потребуется ввести понятие тензорного произведения:

Два запутанных фотона образуют систему, состояние которой можно выразить, например, следующим образом:

Я не буду объяснять, какая система называется запутанной (выйдет очень долго и не очень понятно), про это можно прочитать на Википедии. Вместо этого, давайте посмотрим, чем примечательна такая система.
Допустим, я хочу посмотреть вероятность нахождения этой системы в состоянии

то есть когда два фотона имеют спин


КВАНТОВОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ

Аналогичный результат получается при расчете вероятности получения двух запутанных фотон в состоянии

. Однако, если расчитать вероятность получения фотона а в состоянии

и фотона b в состоянии

(то есть общее состояние системы

) мы получим вероятность 1/2.

Что это значит? А значит это, что имея систему из двух запутанных фотонов, померяв состояние одного из них, мы точно знаем состояние второго, на каком бы расстоянии друг от друга они не находились.

Поприветствуйте наших старых знакомых, Алису и Боба.

Итак, Алиса и Боб имеют синхронизированные часы и пару запутанных фотонов: один у Алисы, другой у Боба. Алиса измеряет состояние её фотона, и получает

(с вероятностью 0.5, как мы видели ранее). В этот же момент времени фотон Боба принимает состояние

. Через время T (дабы не опередить Алису) Боб проводит измерения над своим фотоном, и понимает, какой результат измерения получила Алиса.

Проблема здесь очень простая и очевидная: Алиса не может контролировать состояние её фотона после измерения.
Предположим, Алиса хочет передать Бобу следующую последовательность бит: «011001». Для этого им с Бобом потребуются 6 пар запутанных фотонов. Алиса производит измерения всех шести, и получает следующий результат: «010111». Соответственно Боб получает «101000», применят операцию XOR дабы получить последовательность, которая была получена у Алисы: «010111». Однако Боб не знает, какую именно последовательность Алиса хотела передать. Для того, что бы полностью востановить переданное сообщение на стороне Боба, Алиса должна послать ему по классическому каналу информацию о полученных ей ошибках: «001110». Получив эту информацию, Боб может без труда восстановить сообщение Алисы: «011001».
Как мы видим, использование квантового классического канала при передачи данных, неизбежно. В чем плюсы такой передачи, спросите вы? При квантовой передаче исключается возможность атаки «Man in the middle»: даже если информация об ошибках будет перехвачена, она не поможет злоумышленнику узнать передаваемое сообщение. Единственное, что может сделать злоумышленник, так это изменить информацию об ошибках, но от этого тоже есть защита, использующая квантовые свойства.
Но об этом уже в другой раз.

Возможна ли телепортация?

Отсюда ответ на главный вопрос — да, телепортация сегодня возможна, но ограничена законами физики.

«Несмотря на многообещающее название, квантовая телепортация — это всего лишь процедура, в результате которой получатель в ходе согласованного классического сеанса связи с отправителем может восстановить на своей стороне квантовое состояние, которое было у отправителя. Исходное квантовое состояние отправителя при этом уничтожается. То есть возможна лишь передача квантовой информации, а не макрообъектов», — объясняет сотрудник лаборатории квантовой информатики Университета ИТМО Роман Гончаров.

Как объясняет Гончаров, есть ряд проблем с осуществлением квантовой телепортации, чаще всего связанных с несовершенством оборудования, и не позволяющих в полной мере переложить теорию на эксперимент. « Отсюда и возникают ограничения, например, по расстоянию. И хотя различные научные группы активно работают над усовершенствованием текущих схем и ищут новые подходы, в ближайшие несколько лет навряд ли получится приблизиться к серьезным изменениям. Оборудование может быть «идеальным» только в простых теоретических моделях», — добавляет ученый.

Что касается мгновенного перемещения живых существ, то руководитель научной группы «Квантовая оптика» в Российском квантовом центре и профессор Оксфордского университета Александр Львовский объясняет: теоретически наука не опровергает возможность квантовой телепортации человека, т.к. мы сами состоим из кислорода, водорода и углерода с небольшой добавкой других химических веществ.

«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. 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», — заявил он изданию N+1.

Но телепортировать живого человека у ученых едва ли получится и через века — как отмечает Гончаров из ИТМО, «оригинал при телепортации уничтожается».

Про урокцифры:  В УРОКЕ О РОБОТАХ МЫ ПРОВЕДЕМ ИЗУЧЕНИЕ ДАННЫХ ОБ РОБОТОВ

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *