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 gjithë fizikën kuantike. Në leksionin e tij, të mbajtur si pjesë e "Leksionit 2035" në VDNH, Alexander Lvovsky, profesor në Fakultetin e Fizikës në Universitetin e Calgary (Kanada), anëtar i Institutit Kanadez të Studimeve të Lartë, u përpoq të fliste në mënyrë të thjeshtë. gjuhë për parimet e teleportimit kuantik dhe kriptografisë kuantike. Lenta.ru publikon pjesë nga fjalimi i tij.

Çelësi i bllokimit

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

Le të imagjinojmë që, le të themi, nëse Alice dhe Bob kanë një të ashtuquajtur çelës sekret, përkatësisht një sekuencë sekrete zero dhe njësh që askush tjetër nuk e ka, ata mund të enkriptojnë një mesazh me atë çelës duke përdorur një operacion ekskluziv OSE në mënyrë që zero 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, nuk është gjë e madhe, 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.

Sekreti i këtij dialogu sigurohet duke zgjidhur një problem kompleks matematikor, në veçanti, faktorizimin. Është e lehtë të shumëzosh dy numra të thjeshtë, por nëse produkti i tyre tashmë është dhënë, atëherë është e vështirë të gjesh dy faktorë. Nëse numri është mjaft i madh, do të kërkojë një kompjuter konvencional për të llogaritur për shumë vite.

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

Nëse ju kujtohet, në librin e parë të Harry Potter, personazhi kryesor duhej të kalonte nga siguria për të arritur te Guri i Filozofisë. 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. Dikush që nuk e di këtë, në parim, mund të jetë në gjendje t'i deshifrojë mesazhet, por do të ishte shumë e vështirë dhe potencialisht do të duheshin 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 cila është e besueshme, por, nga ana tjetër, 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 me çelësa të tillë. Ai gradualisht do t'i përdorë ato, pasi secila prej tyre mund të përdoret vetëm një herë. Nga ana tjetër, ne kemi metodën e çelësit 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" ajo lejon transmetimin e sigurt të një çelësi përmes një kanali që mund të hakerohet, dhe nga ana tjetër, garanton fshehtësi falë ligjeve themelore të fizikës. Kuptimi i tij është të kodojë informacionin në gjendjen kuantike të fotoneve individuale.

Në përputhje me postulatet e fizikës kuantike, gjendja kuantike në momentin kur tentohet të matet 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, njerëzit që komunikojnë do të vërejnë se linja po përgjohet, ndalojnë komunikimin dhe marrin masa.

Ndryshe nga shumë teknologji të tjera kuantike, kriptografia kuantike është komerciale dhe jo fantashkencë. Tashmë ka kompani që prodhojnë serverë që lidhen me një linjë të rregullt me ​​fibra optike, me ndihmën e së cilës mund të kryeni komunikim të sigurt.

Si funksionon një ndarës i rrezeve polarizuese?

Drita është një valë elektromagnetike tërthore, që lëkundet 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 një zero, dhe një foton vertikal është një (e njëjta gjë është e vërtetë për fotonet me një polarizim plus 45 gradë dhe minus 45 gradë).

Alice e ka koduar 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 rastësia e famshme kuantike 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. Është e pamundur në parim të parashikohet sjellja e tij. 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? Ju duhet të rrotulloni ndarësin e 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 ka hyrë në linjë dhe dëshiron të përgjojë mesazhet, por ai gjithashtu duhet të matë informacionin në një lloj baze. 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 një vlerë të rastësishme dhe do t'i dërgojë një foton arbitrar Bobit, pasi ai nuk e di se çfarë duhet të jetë. Në këtë mënyrë do të vihet re ndërhyrja e tij.

Problemi më i madh me kriptografinë kuantike është humbja. 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 ndalet me kaq. 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 në mënyrë të përsëritur nga eksperimentet, nuk është 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. Nuk ka asnjë kanal të drejtpërdrejtë mes saj dhe Bobit. 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 analog shumë i largët) i gjithë kësaj. Alice dhe Bob marrin secili një top në një zarf - blu ose të kuqe. Alice dëshiron t'i dërgojë Bobit informacione se çfarë është e saja. 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 e dëgjon këtë rresht, nuk do t'i ndihmojë ata të njohin 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. Ajo merr rastësisht 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 kaloi në një gjendje të caktuar. Para kësaj, ai u ngatërrua me fotonin e Alice, duke qenë 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 supozoi polarizimin -α. Në fund të eksperimentit të teleportimit, Bob përfundon me një kopje të fotonit origjinal të Alice, dhe fotoni i saj dhe informacioni rreth tij shkatërrohen gjatë procesit.

Teknologjia e teleportimit

Tani mund të teleportojmë polarizimin e fotoneve dhe të disa gjendjeve të atomeve. Por kur shkruajnë se shkencëtarët kanë mësuar të teleportojnë atomet, kjo është një gënjeshtër, sepse atomet kanë shumë gjendje kuantike, një numër të 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 kapitenin Picard nga Star Trek i cili duhet të teleportohet në sipërfaqen e një planeti nga një anije. Për ta bërë këtë, siç e dimë tashmë, duhet të bëjmë disa të tjera të njëjtat Picards, t'i sjellim ato në një gjendje të ngatërruar, e cila përfshin të gjitha gjendjet e saj të mundshme (esëll, të 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 një fenomen interesant, por laboratorik. Nuk do të bëhet fjalë për teleportimin e qenieve të gjalla (të paktën në të ardhmen e afërt). Megjithatë, mund të përdoret në praktikë për të krijuar përsëritës kuantikë për të transmetuar informacion në distanca të gjata.

Në faqen e internetit të revistës Nature, më 9 gusht, u publikuan shkencëtarët kinezë të cilët arritën të arrinin teleportimin kuantik në një distancë prej rreth 97 km. Ky është një rekord i ri, ndonëse në arXiv.org që prej datës 17 maj ka pasur një që nuk është publikuar ende askund nga një grup tjetër, i cili raporton eksperimente të suksesshme mbi teleportimin në një distancë prej rreth 143 km.

Përkundër faktit se fenomeni i teleportimit kuantik është studiuar për mjaft kohë, njerëzit 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, gjatë teleportimit kuantik, nuk transmetohen objekte fizike, por disa informacione të regjistruara duke përdorur gjendjet kuantike të objekteve. 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, transferimi i të dhënave ndodh si më poshtë. 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 koncepteve moderne, transferimi i gjendjeve midis fotoneve të lidhur ndodh menjëherë, kështu që mund të krijohet ndjenja se informacioni 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. Ky informacion shtesë 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 mund të ketë aplikime të rëndësishme praktike. Para së gjithash, ky 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 thjesht nuk do të jenë në gjendje ta lexojnë mesazhin. Për fat të keq, përdorimi i vërtetë i këtij efekti është ende larg në këtë fazë, vetëm eksperimentet shkencore janë duke u zhvilluar, që kërkojnë pajisje mjaft komplekse.

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

Hulumtimi kryesor që vërteton 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 fotonesh të ngatërruara është një objekt matjeje, në të cilin fotoni i dytë i çiftit të ngatërruar mund të vendoset në mënyrë arbitrare larg atij fillestar. Teleportimi kuantik do të jetë një element kyç në rrjetet kompjuterike kuantike.

Ëndrra e teleportimit është ëndrra për të qenë në gjendje të udhëtoni thjesht duke u shfaqur në një distancë. Një objekt teleportimi mund të karakterizohet plotësisht nga vetitë e tij nga fizika klasike nëpërmjet matjeve. 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 informacioni i plotë rreth tij i marrë nga objekti, i cili mund të përdoret për të rindërtuar objektin. Por sa i saktë duhet të jetë ky informacion për të krijuar 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 et al vërtetuan se është e mundur të transferohet gjendja kuantike e një grimce në tjetrën, d.m.th. një proces teleportimi kuantik që nuk siguron transmetimin e asnjë informacioni për këtë gjendje gjatë procesit të transmetimit. Kjo vështirësi mund të eliminohet nëse përdorim parimin e ngatërrimit, si një veti e veçantë e mekanikës 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 premtonim suksese të shpejta në kriptografinë kuantike (konsideratat kryesore për transmetimin e të dhënave sekrete), ne më parë vërtetuam vetëm me sukses mundësinë e kodimit të dendur kuantik si një mënyrë për të rritur në mënyrë mekanike kuantike kompresimin 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 testin e parë eksperimental të teleportimit kuantik. Duke krijuar çifte fotonesh të ngatërruar duke përdorur një proces të konvertimit parametrik poshtë, dhe 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 një rëndësi të madhe si për kërkimin në fushën e komunikimit kuantik, ashtu edhe për eksperimentet e ardhshme mbi parimet themelore të mekanikës kuantike.

Teleportimi kuantik është një nga protokollet më të rëndësishme në informacionin kuantik. Bazuar në burimin fizik të ndërthurjes, ai shërben si elementi kryesor i detyrave të ndryshme të informacionit dhe përfaqëson një komponent të rëndësishëm të teknologjive kuantike, duke luajtur një rol kyç në zhvillimin e mëtejshëm të llogaritjes kuantike, rrjetëzimit dhe komunikimit.

Nga fantashkencë tek zbulimet e shkencëtarëve

Kanë kaluar më shumë se dy dekada që nga zbulimi i teleportimit kuantik, i cili është ndoshta një nga pasojat më interesante dhe emocionuese të "çuditshmërisë" së mekanikës kuantike. Para se të bëheshin këto zbulime të mëdha, ideja i përkiste sferës së fantashkencës. I krijuar për herë të parë në 1931 nga Charles H. Fort, termi teleportim është përdorur që atëherë për t'iu referuar procesit me anë të të cilit trupat dhe objektet transferohen nga një vend në tjetrin pa kaluar në fakt distancën midis tyre.

Në vitin 1993, u botua një punim që përshkruante një protokoll informacioni kuantik të quajtur "teleportim kuantik", i cili ndante disa nga veçoritë e listuara më sipër. Në të, gjendja e panjohur e një sistemi fizik matet dhe më pas riprodhohet ose "rimontohet" në një vend të largët (elementet fizike të sistemit origjinal mbeten në vendndodhjen e transmetimit). Ky proces kërkon mjete klasike të komunikimit dhe përjashton komunikimin superluminal. Kërkon burimin e ngatërresës. Në fakt, teleportimi mund të shihet si protokolli i informacionit kuantik që tregon më qartë natyrën e ngatërrimit: pa praninë e tij, një gjendje e tillë transmetimi nuk do të ishte e mundur brenda ligjeve që përshkruajnë mekanikën kuantike.

Teleportimi luan një rol aktiv në zhvillimin e shkencës së informacionit. Nga njëra anë, është një protokoll që luan një rol vendimtar në zhvillimin e teorisë formale të informacionit kuantik, dhe nga ana tjetër, është një komponent themelor i shumë teknologjive. Përsëritësi kuantik është një element kyç i komunikimit në distanca të gjata. Teleportimi me switch kuantik, llogaritja e bazuar në matje dhe rrjetet kuantike janë të gjitha derivate të tij. Përdoret gjithashtu si një mjet i thjeshtë për të studiuar fizikën "ekstreme" në lidhje me kthesat kohore dhe avullimin.

Sot, teleportimi kuantik është vërtetuar në laboratorë në mbarë botën duke përdorur shumë substrate dhe teknologji të ndryshme, duke përfshirë kubitet fotonike, rezonancën magnetike bërthamore, mënyrat optike, grupet e atomeve, atomet e bllokuara dhe sistemet gjysmëpërçuese. Janë arritur rezultate të jashtëzakonshme në fushën e gamës së teleportimit dhe eksperimentet me satelitët janë në pritje. Përveç kësaj, kanë filluar përpjekjet për të shkallëzuar deri në sisteme më komplekse.

Teleportimi i kubitëve

Teleportimi kuantik u përshkrua për herë të parë për sistemet me dy nivele të quajtura kubit. Protokolli merr në konsideratë dy palë të largëta, të quajtura Alice dhe Bob, të cilët ndajnë 2 kubit, A dhe B, në një gjendje të pastër të ngatërruar, të quajtur gjithashtu një çift Bell. Në hyrje, Alice-s i jepet një kubit tjetër a, gjendja ρ e të cilit është e panjohur. Më pas kryen një matje kuantike të përbashkët të quajtur zbulimi i ziles. Ai transferon a dhe A në një nga katër gjendjet Bell. Si rezultat, gjendja e kubitit hyrës të Alices zhduket gjatë matjes dhe kubiti B i Bobit projektohet njëkohësisht në P † k ρP k . Në fazën e fundit të protokollit, Alice ia transmeton rezultatin klasik të matjes së saj Bobit, i cili aplikon operatorin Pauli P k për të rivendosur ρ origjinalin.

Gjendja fillestare e kubitit të Alice konsiderohet e panjohur, pasi përndryshe protokolli reduktohet në matjen e tij në distancë. Përndryshe, ai vetë mund të jetë pjesë e një sistemi më të madh të përbërë të ndarë me një palë të tretë (në këtë rast teleportimi i suksesshëm kërkon riprodhimin e të gjitha korrelacioneve me atë palë të tretë).

Një eksperiment tipik teleportimi kuantik e merr gjendjen fillestare si të pastër dhe që i përket një alfabeti të kufizuar, siç janë gjashtë polet e një sfere Bloch. Në prani të dekoherencës, cilësia e gjendjes së rindërtuar mund të matet me saktësinë e teleportimit F ∈ . Kjo është saktësia midis gjendjeve Alice dhe Bob, mesatarisht në të gjitha rezultatet e zbulimit të Bell dhe alfabetit origjinal. Me vlera të ulëta saktësie, ka metoda që lejojnë teleportim të papërsosur pa përdorur një burim të ngatërruar. Për shembull, Alice mund të matë drejtpërdrejt gjendjen e saj fillestare, duke ia dërguar rezultatet Bobit për të përgatitur gjendjen që rezulton. Kjo strategji e përgatitjes së matjes quhet "teleportim klasik". Ka një saktësi maksimale të klasës F = 2/3 për një gjendje hyrëse arbitrare, e cila është ekuivalente me një alfabet të gjendjeve reciproke të paanshme, siç janë gjashtë polet e një sfere Bloch.

Kështu, një tregues i qartë i përdorimit të burimeve kuantike është vlera e saktësisë së klasës F>F.

Jo vetëm një kubit

Siç u tha, teleportimi nuk është i kufizuar në kubit, ai mund të përfshijë sisteme shumëdimensionale. Për çdo dimension të fundëm d, një skemë ideale teleportimi mund të formulohet duke përdorur një bazë të vektorëve të gjendjes maksimalisht të ngatërruar, të cilët mund të merren nga një gjendje e caktuar e ngatërruar maksimalisht dhe një bazë (U k ) e operatorëve unitarë që kënaqin tr(U † j U k ) = dδ j,k . Një protokoll i tillë mund të ndërtohet për çdo hapësirë ​​të Hilbertit me dimensione të fundme, të ashtuquajturat. sisteme të ndryshueshme diskrete.

Përveç kësaj, teleportimi kuantik mund të shtrihet edhe në sisteme me hapësirë ​​Hilbert me dimensione të pafundme, të quajtura sisteme me variabël të vazhdueshëm. Si rregull, ato realizohen nga mënyrat bosonike optike, fusha elektrike e të cilave mund të përshkruhet nga operatorët kuadratikë.

Shpejtësia dhe parimi i pasigurisë

Sa është shpejtësia e teleportimit kuantik? Informacioni transmetohet me një shpejtësi të ngjashme me shpejtësinë klasike të transmetimit të së njëjtës sasi - ndoshta me Teorikisht, mund të përdoret në mënyra që klasikja nuk mundet - për shembull, në llogaritjen kuantike, ku të dhënat janë të aksesueshme vetëm për marrësin.

A shkel teleportimi kuantik Në të kaluarën, ideja e teleportimit nuk u mor shumë seriozisht nga shkencëtarët, sepse mendohej se shkelte parimin që ndalon çdo proces matjeje ose skanimi nga nxjerrja e të gjithë informacionit të një atomi ose objekti tjetër. Sipas parimit të pasigurisë, sa më saktë të skanohet një objekt, aq më shumë ndikohet nga procesi i skanimit, derisa të arrihet një pikë ku gjendja origjinale e objektit prishet në atë masë sa nuk mund të merret më informacion i mjaftueshëm. për të krijuar një kopje të saktë. Kjo tingëllon bindëse: nëse një person nuk mund të nxjerrë informacion nga një objekt për të krijuar një kopje ideale, atëherë kjo e fundit nuk mund të bëhet.

Teleportim kuantik për dummies

Por gjashtë shkencëtarë (Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jossa, Asher Perez dhe William Wouters) kanë gjetur një mënyrë rreth kësaj logjike, duke përdorur një tipar të famshëm dhe paradoksal të mekanikës kuantike të njohur si efekti Einstein-Podolsky-Rosen. Ata gjetën një mënyrë për të skanuar një pjesë të informacionit të objektit të teleportuar A, dhe për të transferuar pjesën e mbetur të paverifikuar, nëpërmjet efektit të përmendur, në një objekt tjetër C, i cili nuk kishte qenë kurrë në kontakt me A.

Më pas, duke aplikuar një ndikim në C që varet nga informacioni i skanuar, është e mundur të futet C në gjendjen A përpara skanimit. Vetë A nuk është më në atë gjendje, pasi është ndryshuar plotësisht nga procesi i skanimit, kështu që ajo që është arritur është teleportimi dhe jo përsëritja.

Luftoni për rreze

• Teleportimi i parë kuantik u krye në vitin 1997 pothuajse njëkohësisht nga shkencëtarët nga Universiteti i Insbrukut dhe Universiteti i Romës. Gjatë eksperimentit, fotoni origjinal i polarizuar dhe një nga çiftet e fotoneve të ngatërruara u ndryshuan në atë mënyrë që fotoni i dytë mori polarizimin e atij origjinal. Në këtë rast, të dy fotonet ishin në një distancë nga njëri-tjetri.
• Në vitin 2012, një tjetër teleportim kuantik u zhvillua (Kinë, Universiteti i Shkencës dhe Teknologjisë) përmes një liqeni të lartë malor në një distancë prej 97 km. Një ekip shkencëtarësh nga Shangai, i udhëhequr nga Huang Yin, arriti të zhvillonte një mekanizëm udhëzues që bëri të mundur shënjestrimin e saktë të rrezes.
• Në shtator të të njëjtit vit, u krye një teleport rekord kuantik prej 143 km. Shkencëtarët austriakë nga Akademia Austriake e Shkencave dhe Universiteti i Vjenës, të udhëhequr nga Anton Zeilinger, kanë transferuar me sukses gjendjet kuantike midis dy ishujve Kanarie, La Palma dhe Tenerife. Eksperimenti përdori dy linja komunikimi optike të hapësirës së lirë, kuantike dhe klasike, një palë fotone burimore të ndërlidhura me polarizimin e palidhur me frekuencën, detektorë me një foton me zhurmë ultra të ulët dhe sinkronizim të orës së shoqëruar.
• Në vitin 2015, studiuesit nga Instituti Kombëtar Amerikan i Standardeve dhe Teknologjisë për herë të parë transmetuan informacion në një distancë prej më shumë se 100 km nëpërmjet fibrave optike. Kjo u bë e mundur falë detektorëve me një foton të krijuar në institut duke përdorur nanotela superpërçues të bërë nga silici i molibdenit.

Është e qartë se një sistem ose teknologji kuantike ideale nuk ekziston ende dhe zbulimet e mëdha të së ardhmes nuk do të vijnë ende. Sidoqoftë, mund të përpiqeni të identifikoni kandidatët e mundshëm për aplikime specifike të teleportimit. Hibridizimi i përshtatshëm i tyre, duke siguruar një kornizë dhe metoda të përputhshme, mund të sigurojë të ardhmen më premtuese për teleportimin kuantik dhe aplikimet e tij.

Distanca të shkurtra

Teleportimi në distanca të shkurtra (deri në 1 m) si nënsistem i llogaritjes kuantike është premtues në pajisjet gjysmëpërçuese, më i miri prej të cilave është qarku QED. Në veçanti, kubitët e transmonit superpërcjellës mund të garantojnë teleportim determinist dhe me saktësi të lartë në një çip. Ato gjithashtu lejojnë ushqimin e drejtpërdrejtë në kohë reale, gjë që duket problematike në çipat fotonikë. Përveç kësaj, ato ofrojnë një arkitekturë më të shkallëzuar dhe integrim më të mirë të teknologjive ekzistuese në krahasim me qasjet e mëparshme si jonet e bllokuara. Aktualisht, e vetmja pengesë e këtyre sistemeve duket të jetë koha e tyre e kufizuar e koherencës (<100 мкс). Эта проблема может быть решена с помощью интегрирования схемы QED с полупроводниковыми спин-ансамблевыми ячейками памяти (с азотно-замещенными вакансиями или легированными редкоземельными элементами кристаллами), которые могут обеспечить длительное время когерентности для квантового хранения данных. В настоящее время данная реализация является предметом приложения больших усилий научного сообщества.

Komunikimi i qytetit

Komunikimet e teleportimit në shkallë qyteti (disa kilometra) mund të zhvillohen duke përdorur mënyrat optike. Me humbje mjaft të ulëta, këto sisteme ofrojnë shpejtësi të lartë dhe gjerësi bande. Ato mund të zgjerohen nga zbatimet desktop në sistemet e rangut të mesëm që operojnë në ajër ose fibër, me integrim të mundshëm me memorien kuantike të ansamblit. Distanca më të gjata por shpejtësi më të ulëta mund të arrihen duke përdorur një qasje hibride ose duke zhvilluar përsëritës të mirë bazuar në proceset jo-Gaussian.

Komunikimi në distancë

Teleportimi kuantik në distanca të gjata (mbi 100 km) është një zonë aktive, por ende vuan nga një problem i hapur. Kubitët e polarizimit janë media më e mirë për teleportimin me shpejtësi të ulët mbi lidhje të gjata me fibra optike dhe në ajër, por protokolli aktualisht është i mundshëm për shkak të zbulimit jo të plotë të Bell.

Megjithëse teleportimi dhe ngatërrimi probabilistik janë të pranueshëm për probleme të tilla si distilimi i ngatërrimit dhe kriptografia kuantike, kjo është qartësisht e ndryshme nga komunikimi, në të cilin informacioni hyrës duhet të ruhet plotësisht.

Nëse e pranojmë këtë natyrë probabiliste, atëherë zbatimet satelitore janë brenda mundësive të teknologjisë moderne. Përveç integrimit të metodave të gjurmimit, problemi kryesor janë humbjet e mëdha të shkaktuara nga përhapja e rrezeve. Kjo mund të kapërcehet në një konfigurim ku ngatërrimi shpërndahet nga sateliti në teleskopët me hapje të madhe me bazë tokësore. Duke supozuar një hapje satelitore prej 20 cm në 600 km lartësi dhe një hapje teleskopi 1-m në tokë, mund të presim rreth 75 dB humbje të lidhjes poshtë, që është më pak se 80 dB e humbjes në nivelin e tokës. Implementimet nga toka në satelit ose nga sateliti në satelit janë më komplekse.

Kujtesa kuantike

Përdorimi i ardhshëm i teleportimit si pjesë e një rrjeti të shkallëzuar varet drejtpërdrejt nga integrimi i tij me memorien kuantike. Kjo e fundit duhet të ketë ndërfaqe të shkëlqyeshme rrezatimi-materies, saktësi shkrimi dhe leximi, kohë ruajtjeje dhe xhiro, shpejtësi të lartë dhe kapacitet ruajtjeje për sa i përket efikasitetit të konvertimit. Para së gjithash, kjo do të lejojë përdorimin e përsëritësve për të zgjeruar komunikimin përtej transmetimit të drejtpërdrejtë duke përdorur kodet e korrigjimit të gabimeve. Zhvillimi i memories së mirë kuantike do të bënte të mundur jo vetëm shpërndarjen e ndërthurjes nëpër rrjete dhe komunikimet e teleportimit, por edhe përpunimin koherent të informacionit të ruajtur. Në fund të fundit, kjo mund ta kthejë rrjetin në një rrjet të shpërndarë globalisht ose bazën për një internet kuantik të ardhshëm.

Zhvillime premtuese

Ansamblet atomike janë konsideruar tradicionalisht tërheqëse për shkak të konvertimit të tyre efikas të lëndës së dritës dhe jetëgjatësisë së tyre milisekonda, e cila mund të arrijë 100 ms, e nevojshme për transmetimin e dritës në shkallë globale. Megjithatë, sot priten zhvillime më premtuese në sistemet e bazuara në gjysmëpërçues, ku memoria e shkëlqyer kuantike e ansamblit rrotullues është e integruar drejtpërdrejt me arkitekturën e qarkut të shkallëzuar QED. Kjo memorie jo vetëm që mund të zgjasë kohën e koherencës së qarkut QED, por gjithashtu të sigurojë një ndërfaqe optike-mikrovalë për ndërthurjen e fotoneve të mikrovalës optike-telekomunikuese dhe çipit.

Kështu, zbulimet e ardhshme nga shkencëtarët në fushën e internetit kuantike ka të ngjarë të bazohen në komunikimin optik në distanca të gjata të shoqëruar me nyje gjysmëpërçuese për përpunimin e informacionit kuantik.

Në një distancë prej rreth 1200 kilometrash - midis tokës dhe hapësirës! Studiuesit planifikojnë gjithashtu të kryejnë eksperimente të ngjashme mbi teleportimin kuantik midis Tokës dhe Hënës.

Teleportim... Një fjalë nga librat fantastiko-shkencor, nga tregimet për aventurat hapësinore, ku heronjtë përshkojnë distanca gjigante në sekonda duke përdorur teleportimin. Teleportimi kuantik nuk ka asnjë lidhje me lëvizjen reale të objekteve. Në atë rast, çfarë është dhe pse quhet kështu? Rreth teleportimit kuantik AiF.ru tha kreu i laboratorit të fizikës së Muzeut Politeknik Yuri Mikhailovsky:

— Duhet të kuptoni se me teleportimin kuantik nuk ka lëvizje të një objekti nga një vend në hapësirë ​​në tjetrin - si me teleportimin në kuptimin e zakonshëm të fjalës. Me ndihmën e teleportimit kuantik nuk teleportohet vetë objekti, pra lëviz në çast, por gjendja e këtij objekti! Në mënyrë të përafërt, kemi një objekt të caktuar që ka një gjendje të caktuar dhe me ndihmën e teleportimit kuantik mund ta transferojmë këtë gjendje në një vend tjetër në mënyrë që aty të shfaqet një objekt me të njëjtat veti. (Në Kinë, gjendja e grimcave midis dy pikave në Tokë do të transmetohet duke përdorur një satelit hapësinor, të cilin ata do ta lëshojnë në orbitë për hir të këtij eksperimenti - shënimi i redaktorit.) Por për objektin - me kusht. Më lejoni të shpjegoj: aktualisht ne nuk dimë si të transferojmë gjendjen e objekteve komplekse. Ne po flasim për përcjelljen e gjendjes së atomeve ose fotoneve individuale, asgjë më shumë.

Për të arritur teleportimin kuantik, duhet të krijoni një çift të ngatërruar kuantik. Për thjeshtësi, do të flasim për një gjendje, gjendjen e rrotullimit të grimcave. Mund të jetë në dy gjendje: rrotullimi lart dhe rrotullimi poshtë. Ne do të përpiqemi t'i përcjellim këto gjendje. Pra, ne po përpiqemi të krijojmë atë që quhet një çift i ngatërruar kuantik (zakonisht një palë fotone të lehta). Është projektuar në atë mënyrë që rrotullimi i tyre total të jetë zero. Domethënë, një foton ka një rrotullim lart, tjetri ka një rrotullim poshtë, kur krijojmë këtë çift, shuma e tyre është zero. Në të njëjtën kohë, jo vetëm që nuk e dimë se ku po shikojnë fotonet, por edhe vetë fotonet nuk e dinë se në cilën drejtim drejtohet shpina e tyre. Ata janë në të ashtuquajturën gjendje të përzier, të pasigurt. Ndoshta rrotullimi është lart, ndoshta është poshtë, askush nuk e di derisa të kryhet akti i matjes.

Por ne kemi një garanci që nëse matim një rrotullim, dhe ai duket lart, atëherë rrotullimi i fotonit tjetër duket poshtë. Tani le të marrim dy fotone të ngatërruar dhe t'i shpërndajmë në një distancë të madhe, për shembull një kilometër. Dhe këtu marrim një nga fotonet dhe matim gjendjen e tij. Përcaktojmë se ka një rrotullim lart dhe në këtë moment, në një distancë prej një kilometri, rrotullimi i një fotoni tjetër të përzier kthehet në një gjendje me rrotullim poshtë. Me aktin e matjes së një fotoni, ne ndryshuam gjendjen e një fotoni tjetër.

Zakonisht këto dy fotone të ngatërruar quhen Ancil dhe Bob.

Ky efekt i ngatërrimit kuantik përdoret për teleportim. Ne kemi një rrotullim që do të donim ta teleportonim, që zakonisht quhet Alice. Pra, matet rrotullimi total i Alice-s dhe Ansilës dhe në këtë moment Bob merr gjendjen e Alice-s, ose konjugatin e saj (të kundërt). Se cili saktësisht mësojmë nga rezultati i matjes. Pas kësaj, ne duhet ta transmetojmë këtë informacion përmes një kanali të rregullt komunikimi. A duhet ta kthej Bobin apo jo?

Nëse, për shembull, ne transmetojmë gjendjet e 10 rrotullimeve, atëherë për të përfunduar teleportimin është e nevojshme të transmetohet një mesazh i formës: "Ndrysho në gjendjet e kundërta 1, 3, 5, 6 dhe 8".

Kështu funksionon teleportimi kuantik.