Квантовая телепортация является результатом квантового явления, называемого "запутанностью". Когда две (или более) квантовые частицы создаются или взаимодействуют определенным образом, они могут оказаться в зависимости друг от друга, или "запутаться", даже если они отделены друг от друга большими расстояниями.
В некотором смысле, запутанная частицы ведет себя так, как будто она знает, как ведет себя другая частица. Квантовые частицы, в любой точке, находятся в квантовом состоянии вероятности, где такие свойства, как положение, импульс и спин частицы не могут быть точно определены до тех пор, пока не будет проведено какое-либо измерение. Для запутанных частиц квантовое состояние каждой из них зависит от квантового состояния другой; если одна частица будет измерена и изменит состояние, например, состояние другой частицы изменится соответствующим образом.
Это кажется достаточно нормальным, пока частицы не будут разделены. Тем не менее, изменение состояния одной частицы вызывает изменение другого, независимо от того, как далеко частицы находятся друг от друга. Для Альберта Эйнштейна это подразумевало, что информация может передаваться от одной частицы к другой быстрее, чем скорость света, что нарушило бы его собственное правило из специальной относительности, которое гласит, что ничто с массой не может перемещаться быстрее скорости света, потому что для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Он назвал запутанность "жутким действием на расстоянии" и предложил, чтобы вместо запутанных частиц, зависящих друг от друга, существовали некоторые свойства каждой частицы, которые были "скрыты" и содержали информацию, которая должна была передаваться мгновенно.
Эксперименты на запутанных квантовых частицах показали результаты, которые делают объяснение Эйнштейна гораздо менее вероятным, чем простое объяснение: запутанные частицы действительно являются "другими половинами" друг друга, образуя взаимозависимую квантовую систему независимо от того, где они находятся.
У некоторых квантовых частиц есть родственные души, и ученые могут использовать эти " призрачные" связи, чтобы мгновенно посылать секретные сообщения по всему миру.
Гипотетически, если бы человек мог телепортироваться из одного места в другое, его физическая материя каким-то образом исчезла бы из одного места, и мгновенно вновь появилась бы в другом месте, даже если место назначения находится на очень большом расстоянии. Не считая моментальных способностей персонажей "Звездного Пути" и "Доктора Кто", никто никогда не видел телепортации физического человека.
В квантовой физике телепортация не просто возможна, она была достигнута, и сейчас ученые предпринимают шаги к тому, чтобы привести телепортацию в массы. Но в отличие от физической телепортации, в квантовом варианте материя не меняет своего местоположения в пространстве. Вместо этого информация таинственно и мгновенно телепортируется из одной квантовой частицы или квантовой системы в другую.
Телепортирование информации на огромные расстояния может стать следующей революцией в области коммуникации и связи, что повлечет за собой последствия для телекоммуникационной инфраструктуры, новых методов в области квантовых вычислений, Интернета нового поколения и криптографии. Но когда вы имеете дело с непредсказуемыми квантовыми системами, история никогда не бывает настолько проста.
Как телепортироваться?
Квантовые частицы могут запутываться естественным образом, например, если частица распадается на две менее массивные или менее энергичные частицы, или запутывание может быть создано целенаправленно, например, путем принуждения фотонов к смешиванию в определенных условиях.
Напротив, квантовая телепортация с использованием запутанных частиц должна быть организована особым образом. Этот подход включает методы из теории квантовой информации и квантовых вычислений, с квантовыми версиями традиционных вычислительных функций, таких как "биты" и "логические операции".
В простейшем случае в телепортации участвуют три квантовых состояния, обычно описываемые как "кубиты" - квантовый эквивалент компьютерных битов, кодирующих информацию, или называемые квантовыми частицами. Два из трех кубитов находятся в запутанном состоянии, а третий - в независимом квантовом состоянии, которое содержит информацию, подлежащую телепортации. Перепутанные квиты отделяются друг от друга, причем один из них находится в "принимающей стороне", а другой, вместе с независимым кубитом, - в "посылающей стороне".
Отправитель производит совместное измерение как запутанного кубита, так и независимого кубита, таким образом, чтобы не измерять непосредственно конкретное состояние, в котором находится запутанный кубит. Фактически, еще одна причуда квантовой физики заключается в том, что на самом деле невозможно наблюдать состояние одиночного кубита, поэтому отправителю нужен еще один кубит, чтобы измерить вместе с запутанным кубитом.
Совместное измерение двух кубитов служит двум целям: оно изменяет состояние запутанного кубита на приемной стороне таким образом, что он находится в одном из четырех возможных состояний, и дает отправителю два двоичных значения (1 или 0), которые фактически являются инструкциями для приемника. Отправитель теперь должен передать эти два значения получателю, используя обычные, не квантовые методы связи, такие как отправка сообщения через Интернет. Приемник следует инструкциям: для каждого значения буква "1" указывает приемнику выполнить определенное измерение при приемном выходе, а буква "0" - не выполнять это измерение. В результате этих измерений (или вообще никакого измерения, если оба значения равны "0") приемный квит находится в состоянии, в котором изначально находился квит отправителя ( не запутанный).
Частицы не перемещались в пространстве, но информация, представленная независимым кубитом, была телепортирована на приемник.
"Квантовая телепортация - это не передача физической материи между системами, это удаленный перенос квантовых состояний между системами", - сказал Даниэль Ллевелин .
Телепортация в масштабе
Ллевелин вместе с командой из 18 других исследователей со всего мира недавно опубликовал прорывные результаты для квантовой телепортации на практике.
Фотоны - квантовая форма частиц света - часто используются в качестве основы для телепортации квантовых состояний. Генерировать идентичные, изолированные фотоны нужного вида достаточно сложно, а создание запутанных фотонов на микросхеме, которое впервые было достигнуто в 2015 году, уже стало значительным прорывом. Но при таком подходе генерировалось только два фотона одновременно (создавая только одну спутанную пару на чипе). При таких темпах телепортация не расширялась бы для коммерческого применения.
Ключевым нововведением в исследованиях Ллевеллина является то, что фотоны, генерируемые на разных чипах, были успешно запутаны, что выходит за рамки генерации одной пары за раз на одном чипе. Более того, команда построила "преобразователь" на каждом чипе, который мог переключаться между чтением или хранением информации с одного запутанного фотона на другой. Таким образом, количество запутанных пар увеличивается, так как один и тот же фотон может быть запутан в отношении своего свойства местоположения с одним фотоном, и запутан в отношении своей поляризации с другим фотоном.
Такой подход позволил получить ряд ключевых результатов, в том числе возможность программирования и управления различными операциями с запутанными фотонами, а также возможность передачи квантовой информации между двумя устройствами. Новизна, по словам Ллевелин, заключается в том, что все эти возможности демонстрируются вместе.
Прослушать эту и другие статьи можно на Чудо Радио!
