Квантовая телепортация. О кватнотовой телепортации

• Название: О кватнотовой телепортации
• Анкор: Квантовая телепортация
• Дата: 12.12.2022
• Размер: 0.69 Mb.
• Имя файла: Квантовая телепортация.docx
• Тип: Документы; #840251

О КВАТНОТОВОЙ ТЕЛЕПОРТАЦИИ:

Квантовая телепортация – телепортирование не физических объектов, а состояния. Но в случае квантовой телепортации 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 нет возможности повторно его измерить. Квантовая телепортация используется для того, чтобы передать некое состояние, обладая минимальной информацией о нем.

КУБИТЫ

Кубит – это и есть состояние, которое передается при квантовой телепортации. Квантовый бит находится в суперпозиции двух состояний. Классическое состояние находится, например, в состоянии либо 0 либо 1, другого быть не может. Квантовое же состояние находится в суперпозиции нуля и единицы, и что очень важно, пока мы его не измерим, оно не будет определено. Представим, что у нас был кубит на 70% - 0 и на 30% - 1. Если мы его измерим, мы можем получить как 0, так и единицу. Но если провести 100 опытов или более, то можно охарактеризовать состояние и определить, что там было 30 процентов одного и 70 другого, но это классическое измерение состояние. Получив много опытов над состоянием, можно воссоздать его.

Суперпозиция - это наложение состояния одно на другое, т.е. существование одновременно в нескольких состояниях.

Однако квантовая механика позволяет не производить такого количества измерений. Представим себе, что у нас есть единственное уникальное состояние, тогда классическим способом его измерить не получится и передать физически без потери тоже не всегда возможно. А в квантовой механике можно использовать эффект запутанности. При этом также будет наблюдаться явление квантовой нелокальности, то есть использовать нетипичное для классического представления явление, при котором состояние в текущем месте исчезло, а в другом появилось. ПРИЧЕМ САМОЕ ИНТЕРЕСНОЕ, ЧТО ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КВАНТОВЫМ ОБЪЕКТАМ СУЩЕСТВУЕТ ТЕОРЕМА О ЗАПРЕТЕ КЛОНИРОВАНИЯ, ТО ЕСТЬ НЕВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ИДЕАЛЬНОЙ КОПИИ СОСТОЯНИЯ. НАДО УНИЧТОЖИТЬ ОДНО, ЧТОБЫ ПОЯВИЛОСЬ ДРУГОЕ

КВАНТОВАЯ ЗАПУТАННОСТЬ

Что такое эффект запутанности? Это особым образом приготовленные два состояния, два квантовых объекта – кубита. Например, возьмем фотоны. Если эти фотоны разнести на большое расстояние, они будут коррелировать между собой. Что это значит?

Представим себе, что у нас один фотон синий, а другой зеленый. Если мы их разнесли, посмотрели и у меня оказался синий, то у вас точно будет зеленый, и наоборот. Или если взять ботинки, где есть пара из левого и правого, незаметно забрать и отнести в точку Б, то после измерения в одной точке точно будет левый, в другой правый.

Квантовый случай отличается тем, что состояние, которое пришло в точку Б, не синее и не зеленое – оно находится в суперпозиции двух состояний.

После классического случая разделения ботинок, результат уже предопределен. Пока ботинки несут, пока в них не посмотрели: точно в одном мешке левый, а в другом правый. В случае квантовой теории, пока объекты не измерены, ничего не решено. ­­

Если взять не цвет, а поляризацию, то есть направление колебаний напряженности электрического поля, то можно выделить два варианта:

Вертикальная и горизонтальная поляризации и +-45 градусов. Если сложить вместе в равной пропорции вертикальную и горизонтальную составляющую, то получится +45 градусов поляризации, а в случае вычитания -45 градусов.


Поляризация

Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля H.



Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.







Теперь представим, что в точке Б наблюдатель увидел фотон в вертикальном положении, но при этом наблюдатель точки А может взглянуть в диагональном базисе и увидеть с равной вероятностью как +45 так и -45. Но если наблюдатель в точке Б увидит, что там +45, то у наблюдателя будет точно -45.

Парадокс взаимосвязанных элементарных квантовых частиц:

Характеристика второго фотона определяется ровно в тот момент, когда меняется характеристика первого фотона. До измерения состояний фотоны находятся в суперпозиции и одновременно принимают вертикальную и горизонтальную составляющие.

Если разнести фотоны на бесконечно большое расстояние и измерить первый фотон, то второй фотон будет находиться во втором состоянии после измерения.

1) До того, как измерить второй квант после изменения состояния первого, он будет находится в суперпозиции.

2) Информация передается от одной частицы к другой с бесконечной скоростью. Это и есть парадоксально, потому что противоречит тому, что Эйнштейн 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? 

Запутанные частицы, свойства которых взаимозависимы.

Протокол квантовой телепортации:

Предположим, у нас имеется пара запутанных фотонов (например, 1-1` либо 2-2`, после чего рождаются запутанные пары фотонов (1-2 и 1`-2`), одна направляется к приемнику, другая к передатчику. Передатчик должен отправить информацию приемнику).

Передатчик, измерив целевой фотон, с вероятностью ¼ 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. 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.

Квантовая криптография

Одна из главных сфер применения квантовой телепортации — это так называемая квантовая криптография. Идея этой технологии заключается в том, что одиночный фотон невозможно клонировать. Следовательно, мы можем передавать информацию в этом одиночном фотоне, и никто не сможет ее продублировать. Более того, при любой попытке кем-то узнать что-то об этой информации состояние фотона изменится или разрушится. Соответственно, любая попытка получить эту информацию посторонним будет замечена. Это можно использовать в криптографии, в защите информации. Правда, передается не полезная информация, а ключ, которым потом уже классически возможно абсолютно надежно передавать информацию.

У этой технологии есть один большой недостаток. Дело в том, что, как мы уже раньше говорили, создать копию фотона невозможно. Обычный сигнал в оптоволокне можно усилить. Для квантового случая усилить сигнал невозможно, так как усиление будет эквивалентно некоторому перехватчику. В реальной жизни, в реальных линиях передача ограничена расстоянием приблизительно до 100 километров. В 2016 году Российским квантовым центром была проведена демонстрация на линиях Газпромбанка, где показали квантовую криптографию на 30 километрах волокна в городских условиях.

В лаборатории мы способны показывать квантовую телепортацию на расстоянии до 327 километров. Но, к сожалению, большие расстояния непрактичны, потому что фотоны теряются в волокне и скорость получается очень низкая. Что делать? Можно поставить промежуточный сервер, который будет получать информацию, расшифровывать, потом снова зашифровывать и передавать дальше. Так делают, например, китайцы при строительстве своей сети квантовой криптографии. Такой же подход используют и американцы.

Квантовая телепортация в данном случае — это новый метод, который позволяет решить задачу квантовой криптографии и увеличить расстояние до тысяч километров. И в этом случае тот самый фотон, который передается, многократно телепортируется. Над этой задачей работает множество групп во всем мире.

Квантовая память

Представим себе цепочку телепортаций. В каждом из звеньев есть генератор запутанных пар, который должен их создавать и распределять. Это не всегда удачно происходит.

Почему?

-важно качество запутанных фотонов, которое определяется следующими четырьмя факторами. Во-первых, генератор должен производить фотоны, квантовое состояние которых совпадает с максимально запутанным состоянием Белла. Степень этого совпадения измеряется параметром «верности» (fidelity): для запутанных состояний этот параметр равен единице, для абсолютно случайных состояний — нулю. Во-вторых, генератор должен генерировать фотоны «по требованию» (on-demand generation), то есть испускать только одну запутанную пару за раз и включаться только в те моменты, когда это нужно для опыта. В-третьих, все испущенные фотоны должны быть извлечены из источника и собраны с высокой степенью эффективности. Другими словами, они не должны поглощаться и теряться внутри генератора. Наконец, запутанные фотоны, испущенные генератором в разные моменты времени, должны быть абсолютно неразличимыми.

Состояние Белла — определённое состояние двух кубитов; простейший пример квантовой запутанности.

Поэтому 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.

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 Александра Львовского, 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.

ВЫРЕЗКИ ИЗ ИНТЕРВЬЮ

Юджин Ползик - квантовый физик, Ph.D., профессор Института Нильса Бора, директор Датского центра квантовой оптики, академик Королевской академии наук Дании, председатель исполнительного комитета Российского квантового центра.

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.

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.

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.

Но у Китайцев происходила передача миллионов фотонов на спутник, но до точки назначения добрались только 900. Почему?

Китайские ученые телепортировали фотоны света с наземной станции на космический спутник – 2019

Телепортации подобного рода проводились в лабораторных условиях начиная еще с 1997 года

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.

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.

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.

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.
Китайцы первыми продемонстрировали телепортацию на околоземную орбиту (ПОДРОБНЕЕ)

Команда миссии спутника квантовой связи QUESS (иначе, «Мо-Цзы») сообщила о первых успехах в телепортации фотонов с поверхности Земли на орбиту. В рамках месячного эксперимента физикам удалось осуществить телепортацию 911 фотонов на расстояние от 500 до 1400 километров. Это рекордные дистанции для квантовой телепортации.

В новой работе авторы использовали генератор запутанных фотонов, установленный не на спутнике, а на Земле, в обсерватории Нгари (Тибет). Он создавал свыше четырех тысяч запутанных пар в секунду, один фотон из каждой отправлялся лучом лазера к спутнику, который пролетал над генератором каждую полночь. Сначала ученые показали, что квантовая запутанность сохраняется между Землей и спутником, а затем провели телепортацию поляризации фотона. В действительности, для надежной проверки телепортации ученым требовалось создавать не одну, а сразу две запутанных пары фотонов. 

Самые большие потери были связаны с турбулентностью и неоднородностью атмосферы Земли. Эти эффекты приводят к уширению пучка запутанных фотонов и их рассеянию — а значит меньше частиц долетает до спутника.

Всего удалось успешно телепортировать 911 частиц — а за время всего эксперимента были подготовлены и переданы миллионы фотонных пар. Авторы отмечают, что точность телепортации достигает 80 процентов, а потери составляют от 41 до 52 децибел (долетает один фотон из 100 тысяч). Если передавать аналогичный сигнал по 1200-километровому оптоволокну с уровнем потерь 0,2 децибела на километр, то на передачу хотя бы одного фотона уйдет время в 20 раз большее, чем время жизни Вселенной..
ЧТО СДЕЛАЛИ У НАС

Первую линию квантовой коммуникации запустили между Москвой и Петербургом

Вопрос, конечно, не в качестве связи. Этим сегодня никого не удивишь. Главное в квантовой линии – ее полная защищенность.

Москва — Санкт-Петербург, 700 километров – пилотный участок квантовой сети, которая должна покрыть всю страну. По сути, это обычные каналы связи, но сама передача данных идет по другим принципам – квантовым законам, с помощью фотонов, где, в отличие от привычных методов шифрования, исключена возможность кражи данных или прослушивания.

«У нас большие планы и амбиции, и мы будем развивать эту технологию, чтобы защищенные сети квантовых коммуникаций были по всей стране», — сказал заместитель председателя правительства РФ Дмитрий Чернышенко.

Правительство назначило РЖД отвечать за перевод цифровой экономики на квантовые рельсы. У компании уже есть 70 тысяч километров оптоволоконных линий связи, которые можно использовать в качестве квантовых магистралей. Для этого компания привлекла ведущие научные центры, использовала передовые технологии, задействовала экспертов из инновационных отраслей.

Самая большая сеть

Самая большая квантовая сеть сейчас развернута в Китае, к ней подключены 150 банков. Технологически Россия готова присоединиться к мировых лидерам, но предстоит существенно расширить охват. К 2024 году будут протянуты линии до Урала и на юг России, к тому моменту протяженность линий должна составить 7000 километров. Отдельная гордость разработчиков – отечественные комплектующие. Наши военные приняли участие в разработке системы и проверили ее надежность.