Studim kyç, duke vërtetuar mundësinë themelore të teleportimit kuantik të fotoneve.

Kjo është e nevojshme për një vërtetim themelor fizik të mundësisë themelore të përkthimit të largët të informacionit gjenetik dhe metabolik duke përdorur fotone të polarizuara (tjerr). Dëshmi të zbatueshme si për përkthimin in vitro (me lazer) ashtu edhe për përkthimin in vivo, d.m.th. në vetë biosistemin ndërmjet qelizave.

Teleportimi kuantik eksperimental

Teleportimi kuantik - transmetimi dhe rivendosja e gjendjes së një sistemi kuantik në çdo distancë arbitrare - është demonstruar në mënyrë eksperimentale. Gjatë procesit të teleportimit, fotoni primar polarizohet dhe ky polarizim është një gjendje e transmetuar në distancë. Në këtë rast, një palë fotone të ngatërruar është një objekt matjeje, në të cilin fotoni i dytë i çiftit të ngatërruar mund të jetë në mënyrë arbitrare larg nga ai fillestar. Teleportimi kuantik do element kyç në rrjetet kompjuterike kuantike.

Ëndrra e teleportimit është ëndrra për të qenë në gjendje të udhëtoni duke u shfaqur thjesht në një distancë. Një objekt teleportimi mund të karakterizohet plotësisht nga vetitë e tij fizikës klasike nga matjet. Për të bërë një kopje të këtij objekti në një distancë, nuk ka nevojë të transferoni pjesë ose fragmente të tij atje. Gjithçka që nevojitet për një transferim të tillë është një foto e marrë nga objekti. informacion të plotë rreth tij, i cili mund të përdoret për të rikrijuar objektin. Por sa i saktë duhet të jetë ky informacion për të gjeneruar një kopje të saktë të origjinalit? Po sikur këto pjesë dhe fragmente të përfaqësoheshin nga elektrone, atome dhe molekula? Çfarë do të ndodhë me vetitë e tyre kuantike individuale, të cilat, sipas parimit të pasigurisë së Heisenberg, nuk mund të maten me saktësi arbitrare?
Bennett dhe të tjerët vërtetuan se është e mundur të transferohet gjendja kuantike e një grimce në një tjetër, d.m.th. procesi i teleportimit kuantik, i cili nuk siguron transmetimin e asnjë informacioni për këtë gjendje në procesin e transmetimit. Kjo vështirësi mund të eliminohet duke përdorur parimin e ngatërrimit, si pronë e veçantë Mekanika kuantike. Ai shfaq korrelacionet midis sistemeve kuantike shumë më rreptësisht sesa mund të bëjë çdo korrelacion klasik. Aftësia për të transmetuar informacion kuantik është një nga strukturat bazë të komunikimit kuantik valor dhe llogaritjes kuantike. Edhe pse ka progres të shpejtë në përshkrimin e përpunimit kuantik të informacionit, vështirësitë në kontrollin e sistemeve kuantike nuk lejojnë përparim adekuat në zbatimin eksperimental të propozimeve të reja. Ndërsa nuk premtojmë përparime të shpejta në kriptografinë kuantike (konsideratat kryesore për transmetimin e të dhënave sekrete), ne kemi provuar më parë vetëm me sukses mundësinë e kodimit të dendur kuantik si një mënyrë për të rritur mekanikisht kuantik ngjeshjen e të dhënave. Arsyeja kryesore për një progres kaq të ngadaltë eksperimental është se megjithëse ekzistojnë metoda për gjenerimin e çifteve të fotoneve të ngatërruara, gjendjet e ngatërruara për atomet sapo kanë filluar të studiohen dhe ato nuk janë më të mundshme sesa gjendjet e ngatërruara për dy kuante.
Këtu publikojmë të parën verifikimi eksperimental teleportimi kuantik. Duke krijuar çifte fotonesh të ngatërruar duke përdorur një proces konvertimi parametrik poshtë, dhe gjithashtu duke përdorur interferometrinë me dy foton për të analizuar procesin e ngatërrimit, ne mund të transferojmë vetitë kuantike (në rastin tonë, gjendjen e polarizimit) nga një foton në tjetrin. Metodat e zhvilluara në këtë eksperiment do të kenë rëndësi të madhe si për kërkime në fushën e komunikimit kuantik ashtu edhe për eksperimente të ardhshme mbi bazat Mekanika kuantike.

Në faqen e internetit të revistës Nature, më 9 gusht, u shfaqën shkencëtarë kinezë të cilët arritën të kryejnë teleportim kuantik në një distancë prej rreth 97 km. Kjo rekord i ri, edhe pse në arXiv.org që prej datës 17 maj ka një grup tjetër që ende nuk është publikuar askund, i cili raporton për eksperimente të suksesshme me teleportim në një distancë prej rreth 143 km.

Përkundër faktit se fenomeni i teleportimit kuantik është studiuar për një kohë mjaft të gjatë, njerëzit që janë larg shkencës nuk e kuptojnë se çfarë është. Do të përpiqem të hedh poshtë disa mite që lidhen me këtë pjesë të shkencës.

Miti 1: Teleportimi kuantik teorikisht ju lejon të teleportoni çdo objekt.

Në fakt, teleportimi kuantik nuk transmeton objekte fizike, dhe disa informacione të regjistruara duke përdorur gjendjet kuantike objektet. Zakonisht kjo gjendje është polarizimi i fotonit. Siç dihet, një foton mund të ketë dy polarizime të ndryshme: për shembull, horizontal dhe vertikal. Ato mund të përdoren si bartës të informacionit bit: le të themi, 0 do të korrespondojë me polarizimin horizontal dhe 1 me vertikalin. Pastaj transferimi i gjendjes së një fotoni në tjetrin do të sigurojë transferimin e informacionit.

Në rastin e teleportimit kuantik, ndodh transferimi i të dhënave në mënyrën e mëposhtme. Së pari, krijohet një palë e të ashtuquajturave fotone të lidhura. Kjo do të thotë që gjendjet e tyre rezultojnë të jenë të lidhura në një kuptim: nëse njëri ka një polarizim horizontal kur matet, atëherë tjetri do të ketë gjithmonë një polarizim vertikal dhe anasjelltas, dhe të dy opsionet ndodhin me të njëjtën probabilitet. Pastaj këto fotone largohen: njëri mbetet në burimin e mesazhit dhe tjetri merret nga marrësi i tij.

Kur një burim dëshiron të transmetojë mesazhin e tij, ai bashkon fotonin e tij me një foton tjetër, gjendja e të cilit (d.m.th., polarizimi) dihet saktësisht, dhe më pas mat polarizimin e të dy fotoneve të tij. Në këtë moment, gjendja e fotonit të vendosur në marrës ndryshon në mënyrë të qëndrueshme. Duke matur polarizimin e tij dhe duke mësuar përmes kanaleve të tjera të komunikimit rezultatet e matjeve të fotoneve burimore, marrësi mund të përcaktojë me saktësi se cili pjesë e informacionit është transmetuar.

Miti 2: Teleportimi kuantik mund të transmetojë informacion më shpejt se shpejtësia e dritës.

Në të vërtetë, sipas ide moderne transferimi i gjendjeve ndërmjet fotoneve të ngatërruar ndodh në çast, kështu që mund të duket sikur informacioni po transmetohet në çast. Megjithatë, nuk është kështu, pasi edhe pse gjendja është transmetuar, ajo mund të lexohet duke deshifruar mesazhin vetëm pasi të transmetohet informacion shtesë se cilat janë polarizimet e dy fotoneve të vendosura në burim. Kjo informacion shtese transmetohet nëpërmjet kanaleve klasike të komunikimit dhe shpejtësia e transmetimit të tij nuk mund të kalojë shpejtësinë e dritës.

Miti 3: Rezulton se teleportimi kuantik është krejtësisht jointeresant.

Sigurisht, në praktikë rezulton se procesi i teleportimit kuantik mund të mos jetë aq emocionues sa mund të sugjerojë emri i tij, por gjithashtu mund të fitojë rëndësi përdorim praktik. Para së gjithash, është një transferim i sigurt i të dhënave. Është gjithmonë e mundur të përgjohet një mesazh i dërguar përmes kanaleve klasike të komunikimit, por vetëm ai që ka fotonin e dytë të lidhur mund ta përdorë atë. Të gjithë të tjerët nuk do të jenë në gjendje ta lexojnë mesazhin. Fatkeqësisht, deri në përdorim real ky efekt është larg, në në këtë fazë ka vetëm eksperimente shkencore që kërkojnë pajisje mjaft të sofistikuara.

Nëse jeni të interesuar për këtë temë, mund të jeni gjithashtu të interesuar të lexoni se çfarë

Nga pikëpamja e fizikës, teleportimi i një rezervuari nga pika A në pikën B është shumë e thjeshtë. Ju duhet të merrni një rezervuar në pikën A, të matni të gjithë elementët e tij, të bëni vizatime dhe t'i dërgoni në pikën B. Më pas, në pikën B, duke përdorur këto vizatime, montoni të njëjtin rezervuar. Por me objektet kuantike, situata është shumë më e ndërlikuar.

Gjithçka në këtë botë përbëhet nga protone, neutrone dhe elektrone, por këta elementë janë mbledhur të gjithë ndryshe dhe lëvizin ndryshe. Duke folur shkencërisht, ata janë në një gjendje të ndryshme kuantike. Dhe edhe nëse do të kishim një makinë që mund të manipulonte grimcat individuale: të mblidhte atome prej tyre, molekula nga atomet, ne ende nuk do të ishim në gjendje të teleportonim as një amebë. Fakti është se për objektet e vogla kuantike është e pamundur të maten njëkohësisht të gjithë parametrat e tyre: ne ende mund të çmontojmë një rezervuar kuantik në pjesë, por nuk mund t'i masim më ato.

Ky problem zgjidhet me teleportimin kuantik. Kjo ju lejon të transferoni vetitë e një objekti në një objekt tjetër bosh: gjendjen kuantike të një atomi në një atom tjetër, shpejtësinë dhe koordinatat e një elektroni në një elektron tjetër. Ideja është që pa asnjë mënyrë për të ditur se në çfarë gjendje është atomi origjinal, ne mund të bëjmë që një atom tjetër të jetë në të njëjtën gjendje të panjohur por specifike. Vërtetë, në këtë rast gjendja e atomit të parë do të ndryshojë në mënyrë të pakthyeshme dhe, pasi të kemi marrë një kopje, ne do të humbasim origjinalin.

2

Pra, teleportimi është transferimi i gjendjes nga origjinali në një bosh atomi. Për ta bërë këtë, fizikanët marrin grimca të veçanta binjake. Një palë fotone të kuqe të marra si rezultat i prishjes së një fotoni vjollcë është më i përshtatshmi për këtë rol. Këto fotone binjake kanë një unik veti kuantike: sado larg të jenë, nuk pushojnë së ndjeri njëri-tjetrin. Sapo gjendja e njërit prej fotoneve ndryshon, gjendja e tjetrit ndryshon menjëherë.

Pra, për të teleportuar një gjendje kuantike nga pika A në pikën B, merren këto dy fotone. Njëri shkon në pikën A, tjetri në pikën B. Fotoni në pikën A ndërvepron me një atom, gjendja e të cilit duhet të transferohet në pikën B. Fotoni këtu vepron si një korrier DHL - ai erdhi në atom, mori një paketën e dokumenteve prej saj, dhe kështu duke e privuar përgjithmonë nga këto dokumente, por duke mbledhur informacionin e nevojshëm, pas së cilës ai futet në kamion dhe i merr dokumentet. Në pikën B, paketa merr një foton tjetër dhe ia çon pronarit të saj të ri.

Në pikën B prodhohen transformime të veçanta me fotonin e dytë, dhe më pas ky foton ndërvepron me atomin e dytë bosh, tek i cili transferohet gjendja kuantike e dëshiruar. Si rezultat, atomi i zbrazët bëhet një atom nga pika A. Kjo është ajo, teleportimi kuantik ka ndodhur.

Fizika është ende shumë larg teleportimit njerëzor, por tashmë është afër shërbimeve të inteligjencës dhe sigurisë. Teleportimi i gjendjeve kuantike mund të përdoret për të përcjellë të veçanta informacione të klasifikuara. Informacioni është i koduar nga gjendja kuantike e fotonit, pas së cilës gjendja teleportohet nga një spiun në tjetrin. Nëse një spiun armik përpiqet të përgjojë informacionin, ai do të duhet të matë gjendjen e fotonit, i cili do ta dëmtojë atë në mënyrë të pakthyeshme dhe do të çojë në gabime. Spiunët tanë do t'i vërejnë menjëherë këto gabime dhe do të marrin me mend se armiku po i përgjon. E gjithë kjo quhet kriptografi kuantike.

A. SHISHLOVA. Bazuar në materialet nga revistat "Nature" dhe "Science news".

Në të hollë eksperimentet fizike Duket se ata arritën të bëjnë atë që shkrimtarët më të guximshëm të trillimeve shkencore nuk e konsideronin asgjë më shumë se fantazi jorealiste: duke studiuar një nga grimcat dikur të lidhura, mundeni menjëherë (me shpejtësi superluminale!) merrni informacione për gjendjen e një grimce tjetër nga çdo distancë.

Heronjtë e filmave dhe romaneve fantashkencë kanë zotëruar prej kohësh teleportimin - mënyrë e përshtatshme lëvizje e menjëhershme në kohë dhe hapësirë. Sa për jeta reale, atëherë kjo vazhdon të jetë vetëm një ëndërr.

Megjithatë, në vitin 1935, Albert Einstein, së bashku me kolegët e tij B. Podolsky dhe N. Rosen, propozuan një eksperiment mbi teleportimin, nëse jo të materies, atëherë të informacionit. Kjo metodë e komunikimit superluminal quhet "paradoksi EPR".

Thelbi i paradoksit është si më poshtë. Janë dy grimca që ndërveprojnë për ca kohë, duke u formuar sistem të unifikuar. Nga pikëpamja e mekanikës kuantike, kjo sistemi i lidhur mund të përshkruhen si disa funksioni i valës. Kur ndërveprimi ndalet dhe grimcat fluturojnë shumë larg, ato do të përshkruhen përsëri nga i njëjti funksion. Por gjendja e secilës grimcë individuale është e panjohur në parim: kjo rrjedh nga lidhja e pasigurisë. Dhe vetëm kur njëri prej tyre hyn në marrës, i cili regjistron parametrat e tij, karakteristikat përkatëse shfaqen (thjesht shfaqen, por nuk bëhen të njohura!) në tjetrin. Kjo do të thotë, është e mundur që në çast të "dërgohet" gjendja kuantike e një grimce në një kohë të pacaktuar distancë e madhe. Teleportimi i vetë grimcës, transferimi i masës nuk ndodh.

Një predhë e grisur në dy pjesë sillet në mënyrë të ngjashme: nëse ishte e palëvizshme para shpërthimit, vrulli total i fragmenteve të tij e barabartë me zero. Pasi të keni "kapur" një fragment dhe duke matur vrullin e tij, mund të përcaktoni menjëherë vrullin e fragmentit të dytë, pavarësisht sa larg fluturon.

Sot të paktën dy grupet shkencore– Studiues austriakë nga Universiteti i Insbrukut dhe studiues italianë nga Universiteti “La Sapienza” në Romë – pohojnë se kanë arritur të teleportojnë karakteristikat e një fotoni në laborator.

Eksperimentet në Insbruk transmetuan "mesazhe" në formën e polarizimit të fotonit rrezatimi ultravjollcë. Ky foton ndërveproi në një mikser optik me një nga një palë fotone të lidhur. Midis tyre, nga ana tjetër, lindi një lidhje kuantike-mekanike, duke çuar në polarizimin e një çifti të ri. Kështu, eksperimentuesit arritën një rezultat shumë interesant: ata mësuan se si të lidhin fotone që nuk kanë origjinë të përbashkët. Kjo hap mundësinë e kryerjes së një klase të tërë eksperimentesh thelbësisht të reja.

Si rezultat i matjes, fotoni i dytë i çiftit origjinal të çiftuar gjithashtu fitoi një polarizim fiks: një kopje e gjendjes fillestare të "fotonit të dërguar" u transmetua në fotonin e largët. Pjesa më e vështirë ishte vërtetimi se gjendja kuantike ishte vërtet e teleportuar: për ta bërë këtë, duhej të dihej saktësisht se si ishin vendosur detektorët gjatë matjes së polarizimit të përgjithshëm dhe ishte e nevojshme të sinkronizoheshin me kujdes.

Në vend që të përdornin një "foton të dërguar" të veçantë, studiuesit italianë propozuan të konsideronin njëkohësisht dy karakteristika të secilës grimcë të lidhur: polarizimin dhe drejtimin e lëvizjes. Kjo bën të mundur që ato teorikisht të përshkruhen si grimca të veçanta dhe në të njëjtën kohë, duke marrë matje vetëm me grimcën e parë, të përftohen karakteristikat e së dytës pa e prekur atë - të kryhet teleportimi.

Pasi kanë arritur sukses në teleportimin e fotoneve, eksperimentuesit tashmë po planifikojnë të punojnë me grimca të tjera - elektrone, atome dhe madje edhe jone. Kjo do të lejojë transferimin e një gjendje kuantike nga një grimcë jetëshkurtër në një më të qëndrueshme. Në këtë mënyrë do të mundësohet krijimi i pajisjeve ruajtëse ku informacioni i sjellë nga fotonet do të ruhet në jone të izoluar nga mjedisi.

Pasi të krijohen metoda të besueshme të teleportimit kuantik, do të lindin parakushte reale për krijimin e teleportimit kuantik. sistemet kompjuterike(shih "Shkenca dhe jeta" nr. 6, 1996). Teleportimi do të sigurojë transmetim dhe ruajtje të besueshme të informacionit në sfondin e ndërhyrjeve të fuqishme, kur të gjitha metodat e tjera janë joefektive dhe mund të përdoren për të komunikuar midis disa kompjuterëve kuantikë. Përveç kësaj, vetë metodat e zhvilluara nga studiuesit kanë vlera të mëdha për eksperimentet e ardhshme në Mekanika kuantike, për të testuar dhe përmirësuar një sërë teorish moderne fizike.

Teleportimi kuantik është transferimi i një gjendje kuantike në një distancë. Është e vështirë të shpjegohet veçmas; kjo mund të bëhet vetëm në lidhje me të tërën fizika kuantike. Në leksionin e tij, të mbajtur si pjesë e Sallës së Leksioneve 2035 në VDNKh, Profesor i Fakultetit të Fizikës në Universitetin e Calgary (Kanada), anëtar i Institutit Kanadez studimet e larta Alexander Lvovsky u përpoq në gjuhë të thjeshtë flasin për parimet e teleportimit kuantik dhe kriptografisë kuantike. Lenta.ru publikon pjesë nga fjalimi i tij.

Çelësi i bllokimit

Kriptografia është arti i komunikimit të sigurt në një kanal të pasigurt. Kjo do të thotë, ju keni një linjë të caktuar që mund të dëgjohet dhe ju duhet të transmetoni një mesazh sekret mbi të që askush tjetër nuk mund ta lexojë.

Imagjinoni që, të themi, nëse Alice dhe Bob kanë një të ashtuquajtur çelës sekret, domethënë, një sekuencë sekrete zero dhe njësh që askush tjetër nuk e ka, ata mund të enkriptojnë një mesazh duke përdorur këtë çelës, duke përdorur operacionin ekskluziv OSE në mënyrë që zero të përputhet. me zero, dhe një me një. Një mesazh i tillë i koduar tashmë mund të transmetohet përmes një kanali të hapur. Nëse dikush e përgjon, është në rregull, sepse askush nuk mund ta lexojë, përveç Bobit, i cili ka një kopje të çelësit sekret.

Në çdo kriptografi, në çdo komunikim, burimi më i shtrenjtë është një sekuencë e rastësishme zero dhe njësh, e cila zotërohet vetëm nga dy komunikues. Por në shumicën e rasteve, përdoret kriptografia me çelës publik. Le të themi se blini diçka me një kartë krediti nga një dyqan online duke përdorur protokollin e sigurt HTTPS. Përmes tij, kompjuteri juaj flet me ndonjë server me të cilin nuk ka komunikuar kurrë më parë dhe nuk ka pasur mundësi të shkëmbejë një çelës sekret me këtë server.

Fshehtësia e këtij dialogu sigurohet nga zgjidhja e një kompleksi problem matematikor, në veçanti - zbërthimi në faktorët kryesorë. shumëzo dy numrat e thjeshtë lehtë, por nëse produkti i tyre tashmë është dhënë, atëherë është e vështirë të gjesh dy faktorë. Nëse numri është mjaft i madh, do të kërkohen shumë vite llogaritje nga një kompjuter konvencional.

Megjithatë, nëse ky kompjuter nuk është i zakonshëm, por kuantik, do ta zgjidhë lehtësisht një problem të tillë. Kur të shpiket përfundimisht, metoda e përdorur gjerësisht e mësipërme do të bëhet e padobishme, gjë që pritet të jetë katastrofike për shoqërinë.

Nëse ju kujtohet, në librin e parë të Harry Potter, personazhi kryesor duhej të kalonte mbrojtjen për të arritur guri filozofik. Këtu është diçka e ngjashme: ai që ka instaluar mbrojtjen do ta kalojë lehtësisht. Harry kishte një kohë shumë të vështirë, por në fund ai e kapërceu atë.

Ky shembull ilustron shumë mirë kriptografinë e çelësit publik. Kushdo që nuk e njeh është në parim në gjendje t'i deshifrojë mesazhet, por do të jetë shumë e vështirë për të dhe kjo mund të zgjasë shumë vite. Kriptografia e çelësit publik nuk ofron siguri absolute.

kriptografia kuantike

E gjithë kjo shpjegon nevojën për kriptografi kuantike. Ajo na jep më të mirën e të dy botëve. Ekziston një metodë e bllokut një herë, e besueshme, por, nga ana tjetër, që kërkon një çelës sekret "të shtrenjtë". Në mënyrë që Alice të komunikojë me Bobin, ajo duhet t'i dërgojë atij një korrier me një valixhe plot me disqe që përmbajnë çelësa të tillë. Ai do t'i konsumojë gradualisht, pasi secila prej tyre mund të përdoret vetëm një herë. Nga ana tjetër, ne kemi një metodë çelës publik, e cila është "e lirë", por nuk ofron besueshmëri absolute.

Imazhi: Muzeu i Shkencës / Globallookpress.com

Kriptografia kuantike, nga njëra anë, është "e lirë", lejon transmetimin e sigurt të çelësit përmes një kanali që mund të ngatërrohet, dhe nga ana tjetër, garanton fshehtësi për shkak të ligjet themelore fizikës. Kuptimi i tij është të kodojë informacionin në gjendjen kuantike të fotoneve individuale.

Në përputhje me postulatet fizika kuantike, gjendja kuantike në momentin kur përpiqen ta matin, shkatërrohet dhe ndryshohet. Kështu, nëse ka ndonjë spiun në vijën midis Alice dhe Bobit që përpiqet të përgjojë ose spiunojë, ai në mënyrë të pashmangshme do të ndryshojë gjendjen e fotoneve, komunikuesit do të vërejnë se linja po përgjohet, do të ndalojnë komunikimin dhe do të ndërmarrin veprime.

Ndryshe nga shumë teknologji të tjera kuantike, kriptografia kuantike është komerciale, nuk është Fantashkencë. Tashmë, ka kompani që prodhojnë serverë të lidhur me një linjë konvencionale me fibra optike, përmes së cilës mund të komunikoni në mënyrë të sigurt.

Si funksionon një ndarës polarizues i rrezeve

Drita është tërthore valë elektromagnetike, duke u lëkundur jo përgjatë, por përgjatë. Kjo veti quhet polarizim, dhe është e pranishme edhe në fotone individuale. Ato mund të përdoren për të koduar informacionin. Për shembull, një foton horizontal është zero dhe një foton vertikal është një (e njëjta gjë është e vërtetë për fotonet me polarizime plus 45 gradë dhe minus 45 gradë).

Alice e kodoi informacionin në këtë mënyrë dhe Bob duhet ta pranojë atë. Për këtë, përdoret një pajisje e veçantë - një ndarës polarizues i rrezeve, një kub i përbërë nga dy prizma të ngjitur së bashku. Ai transmeton rrjedhën e polarizuar horizontalisht dhe pasqyron rrjedhën e polarizuar vertikalisht, për shkak të së cilës informacioni deshifrohet. Nëse fotoni horizontal është zero dhe fotoni vertikal është një, atëherë në rastin e një zero logjike do të klikojë një detektor, dhe në rastin e njërit tjetri do të klikon.

Por çfarë ndodh nëse dërgojmë një foton diagonal? Pastaj aksidenti i famshëm kuantik fillon të luajë një rol. Është e pamundur të thuhet nëse një foton i tillë do të kalojë apo do të reflektohet - me një probabilitet prej 50 përqind do të bëjë njërën ose tjetrën. Parashikimi i sjelljes së tij është i pamundur në parim. Për më tepër, kjo pronë qëndron në themel të gjeneratorëve komercialë të numrave të rastësishëm.

Çfarë duhet të bëjmë nëse kemi për detyrë të dallojmë polarizimet plus 45 gradë dhe minus 45 gradë? Është e nevojshme të rrotullohet ndarësi i rrezes rreth boshtit të rrezes. Atëherë ligji i rastësisë kuantike do të zbatohet për fotonet me polarizim horizontal dhe vertikal. Kjo pronë është themelore. Nuk mund të shtrojmë pyetjen se çfarë polarizimi ka ky foton.

Foto: Muzeu i Shkencës / Globallookpress.com

Parimi i kriptografisë kuantike

Cila është ideja pas kriptografisë kuantike? Supozoni se Alice i dërgon Bobit një foton, të cilin ajo e kodon ose horizontalisht-vertikalisht ose diagonalisht. Bob gjithashtu kthen një monedhë, duke vendosur rastësisht nëse baza e tij do të jetë horizontale-vertikale apo diagonale. Nëse metodat e tyre të kodimit përputhen, Bob do të marrë të dhënat që dërgoi Alice, por nëse jo, atëherë një lloj marrëzie. Ata e kryejnë këtë operacion mijëra herë, dhe më pas "thirrojnë njëri-tjetrin" përmes një kanali të hapur dhe informojnë njëri-tjetrin se mbi çfarë baze e kanë bërë transferimin - mund të supozojmë se ky informacion tani është i disponueshëm për këdo. Tjetra, Bob dhe Alice do të jenë në gjendje të eliminojnë ngjarjet në të cilat bazat ishin të ndryshme dhe të lënë ato në të cilat ishin të njëjta (do të ketë rreth gjysma e tyre).

Le të themi se një spiun është futur në linjë dhe dëshiron të përgjojë mesazhet, por ai gjithashtu duhet të matë informacionin në disa baza. Le të imagjinojmë se për Alice dhe Bob përkoi, por jo për spiunin. Në një situatë kur të dhënat janë dërguar në një bazë horizontale-vertikale, dhe përgjuesi ka matur transmetimin në një bazë diagonale, ai do të marrë vlerë e rastësishme dhe do t'i përcjellë Bobit disa foton arbitrare, pasi ai nuk e di se çfarë duhet të jetë. Në këtë mënyrë do të vihet re ndërhyrja e tij.

Më së shumti problemi kryesor Kriptografia kuantike është një humbje. Edhe fibra optike më e mirë dhe më moderne prodhon 50 për qind humbje për çdo 10-12 kilometra kabllo. Le të themi se ne dërgojmë çelësin tonë sekret nga Moska në Shën Petersburg - 750 kilometra, dhe vetëm një nga një miliardë miliard fotone do të arrijë qëllimin. E gjithë kjo e bën teknologjinë krejtësisht jopraktike. Kjo është arsyeja pse kriptografia moderne kuantike funksionon vetëm në një distancë prej rreth 100 kilometrash. Teorikisht, dihet se si të zgjidhet ky problem - me ndihmën e përsëritësve kuantikë, por zbatimi i tyre kërkon teleportim kuantik.

Foto: Perry Mastrovito / Globallookpress.com

Ngatërrim kuantik

Përkufizimi shkencor i ngatërrimit kuantik është një gjendje e delokalizuar e mbivendosjes. Tingëllon e ndërlikuar, por mund të jepet një shembull i thjeshtë. Supozoni se kemi dy fotone: horizontale dhe vertikale, gjendjet kuantike të të cilave janë të ndërvarura. Njërën prej tyre e dërgojmë te Alice dhe tjetrën te Bob, i cili bën matje në një ndarës të rrezeve polarizuese.

Kur këto matje bëhen në bazën e zakonshme horizontale-vertikale, është e qartë se rezultati do të jetë i ndërlidhur. Nëse Alice vuri re një foton horizontal, atëherë i dyti, natyrisht, do të jetë vertikal, dhe anasjelltas. Kjo mund të imagjinohet më thjeshtë: ne kemi një top blu dhe një të kuq, pa parë vulosim secilën prej tyre në një zarf dhe ua dërgojmë dy marrësve - nëse njëri merr një të kuq, i dyti do të marrë patjetër një blu.

Por në rastin e ngatërresës kuantike, çështja nuk kufizohet në këtë. Ky korrelacion ndodh jo vetëm në bazën horizontale-vertikale, por edhe në çdo tjetër. Për shembull, nëse Alice dhe Bob i rrotullojnë njëkohësisht ndarësit e rrezeve me 45 gradë, ata përsëri do të kenë një përputhje të përsosur.

Ky është një fenomen kuantik shumë i çuditshëm. Le të themi se Alice e rrotulloi disi ndarësin e saj të rrezeve dhe zbuloi një foton me polarizimin α që kaloi nëpër të. Nëse Bob mat fotonin e tij në të njëjtën bazë, ai do të gjejë një polarizim prej 90 gradë +α.

Pra, në fillim kemi një gjendje ndërthurjeje: fotoni i Alice është plotësisht i pasigurt dhe fotoni i Bobit është plotësisht i pasigurt. Kur Alice mati fotonin e saj dhe gjeti një vlerë, tashmë dihet saktësisht se çfarë fotoni ka Bob, pavarësisht se sa larg është ai. Ky efekt është konfirmuar vazhdimisht nga eksperimentet, kjo nuk është një fantazi.

Teleportimi kuantik

Le të themi se Alice ka një foton të caktuar me polarizim α, të cilin ajo ende nuk e di, domethënë është në një gjendje të panjohur. Midis saj dhe Bobit nuk ka asnjë kanal i drejtpërdrejtë. Nëse do të kishte një kanal, atëherë Alice do të ishte në gjendje të regjistronte gjendjen e fotonit dhe t'ia transmetonte këtë informacion Bobit. Por është e pamundur të dihet gjendja kuantike në një matje, kështu që kjo metodë nuk është e përshtatshme. Megjithatë, midis Alice dhe Bob ka një çift fotonesh të ngatërruar paraprakisht. Për shkak të kësaj, është e mundur që fotoni i Bobit të detyrohet të pranojë gjendjen fillestare të fotonit të Alice-s, më pas të "thirret" përmes një linje telefonike konvencionale.

Këtu është një klasik (megjithëse një analog shumë i largët) i gjithë kësaj. Alice dhe Bob marrin secili nga një tullumbace të kuqe ose blu në një zarf. Alice dëshiron t'i dërgojë Bobit informacione për atë që ka. Për ta bërë këtë, ajo duhet të "thirrojë" Bobin dhe të krahasojë topat, duke i thënë atij "Unë kam të njëjtin" ose "ne kemi të ndryshëm". Nëse dikush përgjon në këtë linjë, nuk do ta ndihmojë atë të njohë ngjyrën e tyre.

Si funksionon e gjitha? Ne kemi një gjendje të ngatërruar dhe një foton që duam ta teleportojmë. Alice duhet të bëjë një matje të duhur të fotonit origjinal të teleportuar dhe të pyesë se në çfarë gjendje është tjetri. Rastësisht ajo merr një nga katër përgjigjet e mundshme. Si rezultat i efektit të gatimit në distancë, rezulton se pas kësaj matje, në varësi të rezultatit, fotoni i Bobit hyri në gjendje të caktuar. Para kësaj, ai u ngatërrua me fotonin e Alice, duke mbetur në një gjendje të papërcaktuar.

Alice i tregon Bobit përmes telefonit se cili ishte rezultati i matjeve të saj. Nëse rezultati i tij, të themi, doli të ishte ψ-, atëherë Bob e di që fotoni i tij u shndërrua automatikisht në këtë gjendje. Nëse Alice raportoi se matja e saj dha rezultatin ψ+, atëherë fotoni i Bobit mori polarizimin -α. Në fund të eksperimentit të teleportimit, Bob ka një kopje të fotonit origjinal të Alice, dhe fotoni i saj dhe informacioni rreth tij shkatërrohen gjatë procesit.

Teknologjia e teleportimit

Tani ne jemi në gjendje të teleportojmë polarizimin e fotoneve dhe disa gjendje të atomeve. Por kur ata shkruajnë, thonë ata, shkencëtarët kanë mësuar të teleportojnë atomet - ky është një mashtrim, sepse atomet kanë shumë gjendje kuantike, grup i pafund. Në rastin më të mirë, ne kuptuam se si të teleportonim disa prej tyre.

Pyetja ime e preferuar është kur do të ndodhë teleportimi njerëzor? Përgjigja nuk është kurrë. Le të themi se kemi kapiten Picard nga seriali televiziv Star Trek”, i cili duhet të teleportohet në sipërfaqen e planetit nga anija. Për ta bërë këtë, siç e dimë tashmë, ne duhet të bëjmë disa të tjera të njëjtat Picards, t'i sjellim ato në një gjendje konfuze që përfshin të gjitha gjendjet e tij të mundshme (i matur, i dehur, duke fjetur, duke pirë duhan - absolutisht gjithçka) dhe të marrim matje në të dyja. Është e qartë se sa e vështirë dhe joreale është kjo.

Teleportimi kuantik është interesant, por fenomen laboratorik. Gjërat nuk do të vijnë në teleportimin e qenieve të gjalla (të paktën në të ardhmen e afërt). Megjithatë, mund të përdoret në praktikë për të krijuar përsëritës kuantikë për transmetimin e informacionit në distanca të gjata.