MOSKVA 12. júla - RIA Novosti. Fyzici zo Šanghaja oznámili úspech prvej „vesmírnej“ kvantovej teleportácie, ktorá prenáša informácie o stave častice z kvantového satelitu Mo Tzu na sledovaciu stanicu na Zemi, podľa článku uverejneného v elektronickej knižnici arXiv.org
"Oznamujeme prvú kvantovú teleportáciu jednotlivých fotónov z observatória na Zemi na satelit na nízkej obežnej dráhe Zeme, 1 400 kilometrov od nej. Úspešná realizácia tejto úlohy otvára cestu k teleportácii na veľmi dlhé vzdialenosti a je prvou krok k vytvoreniu kvantového internetu,“ píše Jian -Wei Pan (Jian-Wei Pan) z univerzity v Šanghaji a jeho kolegovia.
Fenomén kvantového previazania je základom moderných kvantových technológií. Tento jav zohráva dôležitú úlohu najmä v bezpečných kvantových komunikačných systémoch - takéto systémy úplne eliminujú možnosť nepozorovaného „odpočúvania“ v dôsledku skutočnosti, že zákony kvantovej mechaniky zakazujú „klonovanie“ stavu svetelných častíc. V súčasnosti sa kvantové komunikačné systémy aktívne rozvíjajú v Európe, Číne a USA.
V posledných rokoch vedci z Ruska a zahraničia vytvorili desiatky kvantových komunikačných systémov, ktorých uzly si môžu vymieňať údaje na pomerne veľké vzdialenosti, ktoré dosahujú približne 200 až 300 kilometrov. Všetky pokusy o medzinárodnú a medzikontinentálnu expanziu týchto sietí narazili na neprekonateľné ťažkosti súvisiace so spôsobom, akým svetlo mizne pri prechode cez optické vlákna.
Z tohto dôvodu mnohé tímy vedcov uvažujú o presune kvantových komunikačných systémov na „kozmickú“ úroveň, výmene informácií cez satelit, čo im umožní obnoviť alebo posilniť „neviditeľné spojenie“ medzi zapletenými fotónmi. Prvá kozmická loď tohto druhu sa už nachádza na obežnej dráhe – ide o čínsky satelit Mo Tzu, vypustený do vesmíru v auguste 2016.
Tento týždeň Pan a jeho kolegovia opísali prvé úspešné experimenty s kvantovou teleportáciou uskutočnené na palube Mo-Zu a na komunikačnej stanici v meste Ngari v Tibete, postavenej v nadmorskej výške štyri kilometre na výmenu informácií s prvým kvantovým satelitom. .
Kvantová teleportácia bola prvýkrát popísaná na teoretickej úrovni v roku 1993 skupinou fyzikov vedenou Charlesom Bennettom. Podľa ich myšlienky si atómy alebo fotóny môžu vymieňať informácie na akúkoľvek vzdialenosť, ak boli „zapletené“ na kvantovej úrovni.
Na uskutočnenie tohto procesu je potrebný bežný komunikačný kanál, bez ktorého nemôžeme čítať stav zamotaných častíc, a preto sa takáto „teleportácia“ nedá použiť na prenos údajov na astronomické vzdialenosti. Napriek tomuto obmedzeniu je kvantová teleportácia mimoriadne zaujímavá pre fyzikov a inžinierov, pretože ju možno použiť na prenos údajov v kvantových počítačoch a na šifrovanie údajov.
Vedení touto myšlienkou vedci zaplietli dva páry fotónov v laboratóriu v Ngari a pomocou lasera preniesli jednu zo štyroch „zapletených“ častíc na palubu Mo-Dza. Satelit súčasne meral stav tejto častice aj ďalšieho fotónu, ktorý bol v tom momente na palube, v dôsledku čoho sa informácie o vlastnostiach druhej častice okamžite „teleportovali“ na Zem, čím sa zmenil spôsob „zeme“ fotón, zamenený s prvou, chovanou časticou.
Celkovo, ako hovoria čínski fyzici, sa im podarilo „zamotať“ a teleportovať viac ako 900 fotónov, čo potvrdilo správnosť práce „Mo-Zu“ a dokázalo, že obojsmerná „orbitálna“ kvantová teleportácia je v princípe možná. Podobným spôsobom, ako poznamenávajú vedci, je možné prenášať nielen fotóny, ale aj qubity, pamäťové bunky kvantového počítača a ďalšie objekty kvantového sveta.
V lete 2016 čínski vedci vykonajú prvý experiment na svete s kvantovou teleportáciou na vzdialenosť viac ako 1200 kilometrov. Informuje o tom Nature News.
Pre experiment plánujú vedci vypustiť satelit v júni 2016. Fyzici teda dúfajú, že zrealizujú kvantovú teleportáciu stavov častíc medzi vesmírnymi a pozemnými stanicami.
V prvej fáze experimentov sa vedci chystajú otestovať spoľahlivosť kryptografickej komunikácie medzi Pekingom a Viedňou, v ktorej bude ako sprostredkovateľ pôsobiť družica blízko Zeme.
V druhej fáze vedci vykonajú kvantovú teleportáciu fotónov medzi stanicami v Delinghe a Lijiang (alebo Nanshan) cez satelit. Vzdialenosť medzi bodmi presahuje 1200 kilometrov.
Kvantová teleportácia je prenos kvantového stavu na diaľku pomocou priestorovo oddeleného spojeného (zapleteného) páru a klasického komunikačného kanála, v ktorom sa stav zničí v bode odletu počas merania, po ktorom sa znova vytvorí v bode. prijímania. Termín vznikol vďaka článku publikovanému v roku 1993 v časopise „Physical Review Letters“, ktorý popisuje, aký druh kvantového javu sa navrhuje nazývať „teleportácia“ (angl. teleporting) a ako sa líši od populárnej „teleportácie“. v sci-fi. Kvantová teleportácia neprenáša energiu ani hmotu na diaľku. Povinným krokom v kvantovej teleportácii je prenos informácií medzi východiskovými bodmi a prijímaním prostredníctvom klasického, nekvantového kanála, ktorý nie je možné uskutočniť rýchlejšie ako rýchlosťou svetla, čím sa neporušujú princípy modernej fyziky.
Pri implementácii kvantovej teleportácie je okrem prenosu informácií prostredníctvom kvantového kanála potrebné prenášať aj ďalšie informácie potrebné na prečítanie správy klasickým kanálom. Na prenos „kvantovej časti“ sa používajú Einstein-Podolsky-Rosenove korelácie charakteristické pre kvantovo zapletené častice a na prenos klasickej informácie je vhodný akýkoľvek bežný komunikačný kanál.
Pre jednoduchosť uvažujme kvantový systém s dvoma možnými stavmi \psi_1 a \psi_2 (napríklad projekcia spinu elektrónu alebo fotónu na danú os). Takéto systémy sa často nazývajú qubity. Nižšie opísaná metóda je však vhodná na prenos stavu akéhokoľvek systému, ktorý má konečný počet stavov.
Nech má odosielateľ časticu A umiestnenú v ľubovoľnom kvantovom stave \psi_A = \alpha \psi_1 + \beta \psi_2 a chce tento kvantový stav preniesť na príjemcu, to znamená, aby mal príjemca k dispozícii častice B v rovnakom stave. Inými slovami, je potrebné vyjadriť pomer dvoch komplexných čísel \alpha a \beta (s maximálnou presnosťou). Všimnite si, že hlavným cieľom je poskytnúť informácie nie čo najrýchlejšie, ale čo najpresnejšie. Na dosiahnutie tohto cieľa sa postupuje podľa nasledujúcich krokov.
Odosielateľ a príjemca sa vopred dohodnú, že vytvoria pár kvantovo zapletených častíc C a B, pričom C ide k odosielateľovi a B k príjemcovi. Keďže tieto častice sú zapletené, každá z nich nemá svoju vlnovú funkciu (stavový vektor), ale celý pár (alebo skôr stupne voľnosti, ktoré nás zaujímajú) sú opísané jedným štvorrozmerným stavovým vektorom \psi_( BC).
Kvantový systém častíc A a C má štyri stavy, ale jeho stav nemôžeme opísať vektorom - čistý (plne definovaný) stav má iba systém troch častíc A, B, C. Keď odosielateľ vykoná meranie, ktoré má štyroch možných výsledkov na systéme dvoch častíc A a C, dostane jednu zo 4 vlastných hodnôt meranej veličiny. Keďže pri tomto meraní sa systém troch častíc A, B, C zrúti do určitého nového stavu a stavy častíc A a C sa stanú úplne známymi, súdržnosť je zničená a častica B sa ocitne v nejakom špecifickom kvantovom stave.
Práve v tomto momente dochádza k „prenosu“ „kvantovej časti“ informácie. Obnoviť prenášanú informáciu však zatiaľ nie je možné: príjemca vie, že stav častice B nejako súvisí so stavom častice A, ale nevie presne ako!
Aby sa to zistilo, je potrebné, aby odosielateľ informoval príjemcu prostredníctvom obvyklého klasického kanála o výsledku svojho merania (spotrebovanie dvoch bitov zodpovedajúcich zapojenému stavu AC nameranému odosielateľom). Podľa zákonov kvantovej mechaniky sa ukazuje, že po výsledku merania vykonaného na páre častíc A a C plus častice B zapletenej s C bude príjemca schopný vykonať potrebnú transformáciu na stav. častice B a obnoviť pôvodný stav častice A.
Úplný prenos informácií sa uskutoční až potom, čo príjemca prijme údaje oboma kanálmi. Pred prijatím výsledku klasickým kanálom nemôže príjemca povedať nič o stave vysielania.
Fantastický koncept teleportácie pochádza zo špecifickej interpretácie experimentu: „počiatočný stav častice A je zničený po všetkom, čo sa stalo. To znamená, že štát nebol skopírovaný, ale prenesený z jedného miesta na druhé.“
Experimentálna implementácia
Experimentálnu realizáciu kvantovej teleportácie stavu polarizácie fotónu uskutočnili v roku 1997 takmer súčasne skupiny fyzikov pod vedením Antona Zeilingera (Univerzita v Innsbrucku) a Francesca de Martiniho (Rímska univerzita).
V časopise Nature 17. júna 2004 oznámili úspešné experimentálne pozorovanie kvantovej teleportácie kvantového stavu atómu dve výskumné skupiny: M. Riebe et al., Nature 429, 734-737 (teleportácia kvantového stavu vápenatého iónu) a M. D. Barrett a kol., Nature 429, 737-739 (teleportácia qubitu na báze atómu berýlia). Napriek mediálnemu humbuku sa tieto experimenty len ťažko dajú nazvať prelomovými: skôr sú len ďalším veľkým krokom k vytvoreniu kvantových počítačov a implementácii kvantovej kryptografie.
V roku 2006 sa prvýkrát uskutočnila teleportácia medzi objektmi rôzneho charakteru – kvantami laserového žiarenia a atómami cézia. Úspešný experiment uskutočnil výskumný tím z Inštitútu Nielsa Bohra v Kodani.
23. januára 2009 sa vedcom po prvý raz podarilo teleportovať kvantový stav iónu jeden meter.
10. mája 2010 sa v experimente, ktorý uskutočnili fyzici z Čínskej univerzity vedy a techniky a univerzity Tsinghua, preniesol kvantový stav fotónu na vzdialenosť 16 kilometrov.
V roku 2012 sa čínskym fyzikom podarilo preniesť 1100 zapletených fotónov na vzdialenosť 97 kilometrov za 4 hodiny.
V septembri 2012 fyzici z Viedenskej univerzity a Rakúskej akadémie vied vytvorili nový rekord v kvantovej teleportácii – 143 kilometrov
V septembri 2015 sa vedcom z amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie podarilo teleportovať fotóny cez optické vlákno na vzdialenosť viac ako 100 km. Experiment používal jednofotónový detektor so supravodivými káblami zo silicidu molybdénu pri teplotách blízkych absolútnej nule.
Pred rokmi Albert Einstein nazval kvantové zapletenie „strašidelnou akciou na diaľku“. Ide o skutočne kontraintuitívny koncept, ktorý na prvý pohľad popiera zdravý rozum. Dva objekty môžu byť od seba vo veľkej vzdialenosti, ale udržiavajú si medzi sebou „spojenie“ prostredníctvom svojich kvantových stavov. Zničením stavu jedného predmetu (jeho meraním) tak zistíme stav predmetu, ktorý je s ním zapletený, bez ohľadu na to, v akej vzdialenosti sa nachádza. To znamená, že kvantový stav prvého objektu v momente merania takpovediac prechádza na druhý objekt, čo sa obrazne nazýva kvantová teleportácia.
Skupina čínskych fyzikov teraz po prvý raz na svete uskutočnila kvantovú teleportáciu objektu zo Zeme na obežnú dráhu. Výsledky experimentu „strašidelná akcia na diaľku“ boli zverejnené 4. júla 2017 na predtlačovej webovej stránke arXiv.org (arXiv:1707.00934).
Špeciálne pre tento experiment Číňania minulý rok vypustili vedeckú družicu Micius na slnečnú synchrónnu dráhu. Každý deň prechádza nad tým istým bodom na Zemi v rovnakom čase, čo umožňuje starostlivo pripraviť experiment a uskutočniť ho kedykoľvek za konštantných podmienok a v prípade potreby aj zopakovať za rovnakých podmienok. Satelit Micius je vybavený vysoko citlivým fotónovým detektorom a zariadením na určenie kvantového stavu jednotlivých fotónov vyslaných zo Zeme.
Počas experimentu bola kvantová teleportácia uskutočnená s rôznym stupňom spoľahlivosti (pozri diagram) vo vzdialenosti 500-1400 km od vysielača k satelitu, čo je nový svetový rekord v dosahu kvantovej teleportácie. Predtým sa takéto experimenty vykonávali iba na Zemi a maximálna vzdialenosť na testovanie kvantového zapletenia bola asi 100 km. Vo vákuu sa fotóny prenášajú spoľahlivejšie, menej reagujú s okolitými predmetmi a lepšie držia zapletenie. 
Stanica Ngari s vysielačom pre experiment bola postavená v horách Tibetu v nadmorskej výške viac ako 4000 m. Stanica generovala zapletené páry fotónov rýchlosťou 4000 za sekundu. Polovicu z nich poslali na orbitálnu stanicu a tam skontrolovali, či sa po prenose zachovalo kvantové zapletenie. Druhá polovica fotónov zostala na Zemi.
Na zlepšenie kvality prenosu vyvinuli výskumníci množstvo inovatívnych techník a špeciálnych nástrojov, vrátane kompaktného ultrajasného multifotónového zapleteného zdroja, zariadenia na zníženie divergencie lúča a vysokorýchlostného a vysoko presného APT (získavanie, smerovanie, sledovanie). systému.
Merania ukázali, že niektoré fotóny po príchode na satelit v skutočnosti zostali zapletené so svojimi pozemskými „partnermi“. Konkrétne za 32 dní prenosu zostalo z niekoľkých miliónov odoslaných fotónov zapletených 911. Presnosť prenosu bola 0,80 ± 0,01, čo výrazne presahuje klasický limit (pozri diagram nižšie).
Fotóny s identickými kvantovými stavmi sú z fyzikálneho hľadiska identické fotóny. Dá sa teda konštatovať, že vedci prvýkrát v histórii teleportovali objekt z povrchu Zeme na obežnú dráhu. V praktickom zmysle ide o prvý funkčný uplink pre spoľahlivý prenos kvantových informácií na veľmi veľké vzdialenosti – zo Zeme na satelit. Autori veria, že ide o dôležitý krok k vytvoreniu kvantového internetu v globálnom meradle.
Teoreticky neexistuje limit maximálnej vzdialenosti na meranie zapletenia, t. j. kvantovej teleportácie. V praxi je kvantový stav fotónov veľmi krehký a v dôsledku reakcie s okolím sa ničí, preto je veľmi dôležité vyvinúť technológie na spoľahlivý prenos zamotaných fotónov na veľké vzdialenosti.
Kvantová teleportácia by mohla nájsť uplatnenie v rôznych oblastiach: „Teleportácia na dlhé vzdialenosti sa považuje za základný prvok v protokoloch, ako sú rozsiahle kvantové siete a distribuované kvantové výpočty,“ píše skupina čínskych vedcov v abstrakte vedeckého článku. - Na vytvorenie „kvantového internetu“ v globálnom meradle je potrebné výrazne rozšíriť vzdialenosť na prenos informácií. Sľubnou technológiou na to je použitie satelitnej platformy a satelitného komunikačného spojenia, ktoré môže pohodlne prepojiť dva vzdialene umiestnené body na Zemi s relatívne malou stratou signálu, pretože fotóny cestujú väčšinu cesty vo vákuu.
Teraz bude pre iné krajiny ťažké prekonať čínsky rekord v oblasti kvantovej teleportácie, pretože ani Európska únia, ani Spojené štáty neplánovali vypustiť satelity s fotodetektormi špeciálne pre takýto experiment vo vesmíre a udržať kvantové zapletenie na Zemi vo vzdialenosti 1 400 km. dlhé optické vlákno je neuveriteľne ťažké.
Početné trháky posledných rokov, väčšinou filmové adaptácie komiksov, pevne vštepili obraz superhrdinu do povedomia moderných ľudí. Superhrdina je najčastejšie obyčajne vyzerajúci človek, ktorý má nadprirodzené schopnosti a často je kvôli tomu nútený viesť tajnostkársky životný štýl. Tieto filmy sú také populárne, farebné a početné, že pre niektorých ľudí sa pojem „superhrdina“ stal bežným. Myšlienka reality takýchto hrdinov navštevuje ľudí čoraz častejšie - preto sa príbehy ako teleportácia v Číne objavujú a sú veľmi populárne.
Superman na ceste
Na jeseň 2012 bolo jedným z hlavných hitov World Wide Web video, ktoré údajne zachytilo nielen teleportácia 
osobu, ale veľmi dramatickú teleportáciu dvoch ľudí naraz. Video zverejnené na webe YouTube pre hosťovanie videa má asi minútu a vyzerá ako záznam z pouličnej kamery. Čas udalostí, súdiac podľa načasovania v ľavom hornom rohu, je 9. mája 2012 tesne po polnoci. Miesto konania udalostí je jednou z mestských alebo prímestských križovatiek Číny. Hlavné postavy sú tri. Prvým je kamionista s bielou dodávkou, druhým cyklista. Tretím je záhadný cudzinec, ktorému vďaka širokej kapucni nevidno do tváre. Čo sa týka telesnej stavby, tento jednoznačne mladý muž mohol byť buď chlapec, alebo dievča.
Udalosti vo videu sa vyvíjajú nasledovne. Po prejdení niekoľkých áut sa v pozadí objaví nákladné auto, ktoré postupne naberá rýchlosť. Keď sa približuje, zo zatemneného priestoru na vedľajšej ceste vľavo sa objaví cyklista. Dráhy a rýchlosti kamiónu a cyklistu sú také, že zrážka sa zdá byť nevyhnutná a následky pre vodiča ľahšieho vozidla môžu byť fatálne. Ale tu, v pravej stmavenej oblasti obrazovky, je zaznamenaný určitý pohyb: rýchla rozmazaná silueta sa blíži k miestu hroziacej kolízie. V poslednej chvíli sa silueta črtá zreteľnejšie a divák vidí muža, ktorý cyklistu chytá takmer pod samotné kolesá auta. Potom cudzinec, cyklista a bicykel doslova zmiznú a kamión začne brzdiť. Auto sa ešte úplne nezastavilo, keď sa úplne vpravo na obrazovke, len na osvetlenej časti cesty, objaví skupina dvoch ľudí a bicykel. Cudzinec pustí zachráneného muža, pričom jeho ruky jasne žiaria. Prehodí si kapucňu cez hlavu a rýchlo uhne z cesty. Očividne šokovaný cyklista si v tomto čase vyčerpane sadne na krajnicu, z nej vychádza kamionista, ktorý na vozovke nič nenájde.
Je ľahké oklamať tých, ktorí sú radi, že sú oklamaní
Teleportácia osoby v Číne, najmä zaznamenaná na videu a navyše za takýchto filmových okolností, sa veľmi rýchlo stala známou a získala milióny zhliadnutí na videohostingu. Okamžite sa rozbehli živé diskusie o tom, či je video skutočné, alebo ide o podvrh niektorých špecialistov na vizuálne efekty. Je zvláštne, že na scéne bolo pomerne veľa priaznivcov reality teleportácie. Okamžite vznikli dokonca aj originálne „fanfikcie“ – príbehy sa začali vymýšľať tak, aby vytvorili príbeh o ženskej superhrdinke (ženské pohlavie tejto postavy sa zdalo pre väčšinu divákov zaujímavejšie a pôsobivejšie), aby odhalili dôvody, ktoré ju prinútili skryť ju. superschopnosti a podobne.
Našlo sa však aj veľa skeptických kritikov, ktorí video doslova rozobrali až do špiku kostí. Mnoho racionálnych argumentov bolo uvedených v prospech skutočnosti, že dej je inscenovaný, nesie zjavné stopy použitia softvéru na konverziu video materiálu a má tiež zjavné logické nedostatky. V prvom rade bol alarmujúci už samotný výskyt potenciálne smrteľnej nehody: oproti zvyku kamión pri približovaní sa ku križovatke začal skôr naberať rýchlosť ako spomaľovať, akoby vytváral podmienky pre dramatickú scénu. Podozrivé je aj podozrenie cyklistu: prekvapivo pokojne vošiel priamo pod kolesá, bez zmeny rýchlosti a bez toho, aby otočil hlavu, keď prechádzal cez hlavnú cestu, kde by mal dať prednosť v premávke. S vodičom kamiónu nie je všetko v poriadku – na záberoch je jasne vidieť, že muž, ktorý vystúpil z kabíny, má oblečené žiarivo biele tričko alebo košeľu. Ale v celkom dobre osvetlenej kabíne pri brzdení nielenže nič jasne nevidno, ale vodiča tam nevidno vôbec.
Pokiaľ ide o tajomného muža so schopnosťou teleportovať seba a ostatných, tiež nie je taký „čistý“. Po prvé, v jeho „energetickej stope“ počas jeho superrýchleho rútenia na cestu sú zjavné stopy po úprave videa. Jeho silueta v momente uchopenia cyklistu je veľmi zreteľná, zatiaľ čo rozmazaná silueta jeho pohybu stále zostáva. Po druhé, výber koncového bodu teleportácie vyzerá veľmi zvláštne. Zákony geometrie, fyziky a jednoducho logiky hovoria, že najjednoduchšie a najprirodzenejšie by bolo, keby sa zachránený cyklista pohyboval v smere pohybu cudzinca – teda na ľavú stranu obrazovky, preč od vozovky. Ale teleportácia nastáva s reverzným vektorom, doprava - ukáže sa, že cudzinec počas teleportácie urobil akúsi slučku, ktorá nemá žiadne vysvetlenie. Po druhé, nejasná pochybnosť sa vkráda do toho, že výskyt dvoch teleportujúcich sa ľudí a bicykla na pravej strane cesty je vysvetlený takpovediac javiskovou nevyhnutnosťou. Práve táto časť je na celej scéne najviac osvetlená, preto sa najlepšie hodí na dosiahnutie tej najväčšej drámy, na pozorovanie šokového stavu zachraňovaného, svietiacich rúk záchrancu a jeho ústupu do tmy. Súhrn všetkých týchto pozorovaní a úvah vedie k záveru, že táto teleportácia je dosť kreatívna, ale stále je to podvod.
Alexander Babitsky
Načítava...
