Teleportering af data. Kvanteinformationsoverførsel vil blive mere pålidelig

I en afstand af omkring 1200 kilometer – mellem jord og rum! Forskerne planlægger også at udføre lignende oplevelser ved kvanteteleportation mellem Jorden og Månen.

Teleportation... Et ord fra science fiction-bøger, fra historier om rumeventyr, hvor helte tilbagelægger gigantiske afstande på få sekunder ved hjælp af teleportering. Kvanteteleportation har intet at gøre med den virkelige bevægelse af objekter. Hvad er det i så fald, og hvorfor hedder det det? Om kvanteteleportering AiF.ru sagde lederen af ​​fysiklaboratoriet på Polytechnic Museum Yuri Mikhailovsky:

— Du skal forstå, at med kvanteteleportation er der ingen bevægelse af et objekt fra et sted i rummet til et andet - som ved teleportation i ordets sædvanlige betydning. Ved hjælp af kvanteteleportering er det ikke selve objektet, der teleporteres, det vil sige øjeblikkeligt flyttes, men dette objekts tilstand! Groft sagt har vi et bestemt objekt, der har en bestemt tilstand, og ved hjælp af kvanteteleportation kan vi overføre denne tilstand til et andet sted, så et objekt med de samme egenskaber dukker op der. (I Kina vil partiklernes tilstand mellem to punkter på Jorden blive transmitteret ved hjælp af en rumsatellit, som de vil sende i kredsløb af hensyn til dette eksperiment - red. anm.) Men om objektet - betinget. Lad mig forklare: i øjeblikket ved vi ikke, hvordan man overfører komplekse objekters tilstand. Vi taler om at formidle tilstanden af ​​individuelle atomer eller fotoner, intet mere.

For at opnå kvanteteleportation skal du oprette et kvanteforviklet par. For nemheds skyld vil vi tale om én tilstand, tilstanden af ​​partiklens spin. Det kan være i to tilstande: spin op og spin ned. Vi vil forsøge at formidle disse tilstande. Så vi forsøger at skabe det, der kaldes et kvantesammenfiltret par (normalt et par lysfotoner). Den er designet på en sådan måde, at deres samlede spin er nul. Det vil sige, at den ene foton har et spin op, den anden har et spin ned, når vi opretter dette par, er deres sum nul. Samtidig ved vi ikke kun, hvor fotonerne kigger, men fotonerne ved ikke selv, hvilken vej deres ryg er rettet. De er i en såkaldt blandet tilstand, usikre. Måske er spindet op, måske er det nede, ingen ved det, før målingen er udført.

Men vi har en garanti for, at hvis vi måler et spin, og det ser op, så kigger spindet af den anden foton ned. Lad os nu tage to sammenfiltrede fotoner og sprede dem over en stor afstand, for eksempel en kilometer. Og her tager vi en af ​​fotonerne og måler dens tilstand. Vi fastslår, at den har et spin op, og i dette øjeblik, i en afstand af en kilometer, bliver spin af en anden blandet foton til en tilstand med et spin ned. Ved at måle en foton ændrede vi en anden fotons tilstand.

Normalt kaldes disse to sammenfiltrede fotoner Ancil og Bob.

Denne effekt af kvantesammenfiltring bruges til teleportering. Vi har et spin, som vi gerne vil teleportere, normalt kaldet Alice. Så det samlede spin af Alice og Ansila måles, og i dette øjeblik modtager Bob Alices tilstand eller dens konjugat (modsat). Vi lærer om hvilken der præcist er fra måleresultatet. Herefter skal vi overføre disse oplysninger via en almindelig kommunikationskanal. Skal jeg vende Bob eller ej?

Hvis vi for eksempel transmitterer tilstandene for 10 spins, så er det for at fuldføre teleporteringen nødvendigt at sende en meddelelse på formen: "Skift til de modsatte tilstande 1, 3, 5, 6 og 8."

Sådan fungerer kvanteteleportation.

En sådan teleporteringsmaskine blev bygget i filmen "Kontakt". Med hendes hjælp rejste Jodie Fosters heltinde til en anden verden, eller måske ikke...

I fantasiverdener, opfundet af forfattere og manuskriptforfattere, har teleportering længe været en standard transporttjeneste. Det virker svært at finde en så hurtig, bekvem og samtidig intuitiv måde at bevæge sig i rummet på.

En smuk idé teleportering er også støttet af videnskabsmænd: grundlæggeren af ​​kybernetik, Norbert Wiener, viede i sit arbejde "Cybernetics and Society" et helt kapitel til "muligheden for at rejse ved hjælp af telegrafen". Et halvt århundrede er gået siden da, og i løbet af denne tid er vi kommet næsten tæt på menneskehedens drøm om sådanne rejser: vellykket kvanteteleportation er blevet udført i flere laboratorier rundt om i verden.

Grundlæggende

Hvorfor er teleportation kvante? Faktum er, at kvanteobjekter ( elementære partikler eller atomer) har specifikke egenskaber, der er bestemt af kvanteverdenens love og ikke observeres i makroverdenen. Det var netop disse egenskaber ved partikler, der tjente som grundlag for eksperimenter med teleportering.

EPJ paradoks

I løbet af aktiv udvikling kvanteteori, i 1935, i det berømte papir af Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen, "Kan en kvantemekanisk beskrivelse af virkeligheden være fuldstændig?" Det såkaldte EPR-paradoks (Einstein-Podolsky-Rosen-paradoks) blev formuleret.

Forfatterne viste, at det følger af kvanteteorien: hvis der er to partikler A og B med en fælles fortid (spredt væk efter en kollision eller dannet under henfaldet af en partikel), så afhænger tilstanden af ​​partikel B af partikeltilstanden A og denne afhængighed bør manifestere sig øjeblikkeligt og på enhver afstand. Sådanne partikler kaldes et EPR-par og siges at være i en "sammenfiltret" tilstand.

Lad os først og fremmest huske på, at en partikel i kvanteverdenen er et sandsynlighedsobjekt, det vil sige, at den kan være i flere tilstande på samme tid - for eksempel kan den ikke bare være "sort" eller "hvid", men "grå". Men når vi måler en sådan partikel, vil vi altid kun se en af ​​de mulige tilstande - "sort" eller "hvid", og med en vis forudsigelig sandsynlighed, og alle andre tilstande vil blive ødelagt. Desuden af ​​de to kvantepartikler du kan skabe sådan en "forvirret" tilstand, at alt bliver endnu mere interessant: hvis en af ​​dem viser sig at være "sort" når den måles, så vil den anden helt sikkert være "hvid" og omvendt!

For at forstå, hvad paradokset er, udfører vi først et eksperiment med makroskopiske objekter. Lad os tage to kasser, som hver indeholder to bolde - sorte og hvide. Og vi vil tage en af ​​disse kasser til Nordpolen, og den anden til Sydpolen.

Hvis vi tager en af ​​kuglerne ud på Sydpolen (for eksempel sort), så vil dette på ingen måde påvirke resultatet af valget på Nordpolen. Det er slet ikke nødvendigt, at vi i dette tilfælde støder på præcis den hvide kugle. Dette simple eksempel bekræfter, at det er umuligt at observere EPJ-paradokset i vores verden.

Men i 1980 viste Alan Aspect eksperimentelt, at EPR-paradokset faktisk forekommer i kvanteverdenen. Særlige målinger af tilstanden af ​​EPR-partikler A og B viste, at EPR-parret ikke bare er forbundet med en fælles fortid, men partikel B på en eller anden måde øjeblikkeligt "ved", hvordan partikel A blev målt (hvad dens karakteristika blev målt), og hvad resultatet var . Hvis vi talte om kasserne med fire bolde nævnt ovenfor, ville det betyde, at efter at have taget en sort bold ud på Sydpolen, skal vi bestemt tage en hvid ud på Nordpolen! Men der er ingen interaktion mellem A og B, og superluminal signaltransmission er umulig! I efterfølgende eksperimenter blev eksistensen af ​​EPR-paradokset bekræftet, selvom partiklerne i EPR-parret blev adskilt fra hinanden i en afstand af omkring 10 km.

Disse eksperimenter, helt utrolige set fra vores intuitions synspunkt, er let forklaret af kvanteteori. Et EPR-par er jo netop to partikler i en "sammenfiltret" tilstand, hvilket betyder, at resultatet af måling af for eksempel partikel A bestemmer resultatet af måling af partikel B.

Det er interessant, at Einstein anså den forudsagte adfærd af partikler i EPR-par for at være "dæmonernes handling på afstand" og var sikker på, at EPR-paradokset endnu en gang demonstrerer inkonsistensen af ​​kvantemekanikken, som videnskabsmanden nægtede at acceptere. Han mente, at forklaringen på paradokset var ikke overbevisende, fordi "hvis observatøren ifølge kvanteteorien skaber eller delvist kan skabe det observerede, så kan en mus lave universet om ved blot at se på det."

Teleportationseksperimenter

I 1993 fandt Charles Bennett og hans kolleger ud af, hvordan de kunne bruge de bemærkelsesværdige egenskaber ved EPR-par: de opfandt en måde at overføre et objekts kvantetilstand til et andet kvanteobjekt ved hjælp af et EPR-par og kaldte denne metode kvanteteleportation. Og i 1997 udførte en gruppe eksperimentatorer ledet af Anton Zeilinger for første gang kvanteteleportering af en fotons tilstand. Teleporteringsskemaet er beskrevet detaljeret i indsættet.

Begrænsninger og frustrationer

Det er grundlæggende vigtigt, at kvanteteleportation ikke er overførsel af et objekt, men kun den ukendte kvantetilstand af et objekt til et andet kvanteobjekt. Ikke alene forbliver kvantetilstanden af ​​det teleporterede objekt et mysterium for os, det er også irreversibelt ødelagt. Men det, vi kan være helt sikre på, er, at vi har opnået en anden genstands identiske tilstand et andet sted.

De, der forventede, at teleportering ville være øjeblikkelig, vil blive skuffede. I Bennetts metode kræver vellykket teleportering en klassisk kommunikationskanal, hvilket betyder, at teleporteringshastigheden ikke kan overstige dataoverførselshastigheden over en almindelig kanal.

Og det er stadig helt uvist, om det vil være muligt at bevæge sig fra teleportering af tilstande af partikler og atomer til teleportering af makroskopiske objekter.

Ansøgning

En praktisk anvendelse til kvanteteleportation blev hurtigt fundet - det er kvantecomputere, hvor information er lagret i form af et sæt kvantetilstande. Her viste kvanteteleportation sig at være den perfekte måde datatransmission, hvilket grundlæggende udelukker muligheden for aflytning og kopiering af overførte oplysninger.

Bliver det personens tur?

På trods af alt moderne præstationer Inden for kvanteteleportation forbliver udsigterne for menneskelig teleportation meget vage. Selvfølgelig vil jeg tro på, at forskerne vil finde på noget. Tilbage i 1966 skrev Stanislav Lem i bogen "Sum of Technology": "Hvis vi formår at syntetisere Napoleon ud fra atomer (forudsat at vi har en "atomart opgørelse"), så vil Napoleon være en levende person. Hvis du tager en sådan opgørelse fra en person og sender den "via telegraf" til en modtageanordning, hvis udstyr, baseret på den modtagne information, vil genskabe denne persons krop og hjerne, så vil han komme ud af modtagelsen enheden levende og sund."

Praksis i dette tilfælde er dog meget mere kompliceret end teori. Så det er usandsynligt, at du og jeg skal rejse rundt i verdener ved hjælp af teleportering, meget mindre med garanteret sikkerhed, fordi det eneste, der skal til, er en fejl, og du kan blive til en meningsløs samling af atomer. Den erfarne galaktiske inspektør fra romanen af ​​Clifford Simak ved meget om dette, og det er ikke for ingenting, at han mener, at "de, der påtager sig overførsel af stof over en afstand, først bør lære at gøre det ordentligt."

I juni 2013 lykkedes det en gruppe fysikere under ledelse af Eugene Polzik at udføre et eksperiment på den deterministiske teleportering af det kollektive spin af 10 12 cæsiumatomer over en halv meter. Dette arbejde lavede omslaget Naturfysik. Hvorfor dette er et virkelig vigtigt resultat, hvad de eksperimentelle vanskeligheder var, og endelig hvad "deterministisk kvanteteleportation" er, blev fortalt til Lenta.ru af Eugene Polzik, en professor og medlem af eksekutivkomiteen for det russiske kvantecenter (RCC) .

"Lenta.ru": Hvad er "kvanteteleportation"?

For at forstå, hvordan kvanteteleportation adskiller sig fra det, vi for eksempel ser i Star Trek-serien, skal du forstå en simpel ting. Vores verden er designet på en sådan måde, at hvis vi vil lære noget om noget, så vil vi i de mindste detaljer altid begå fejl. Hvis vi f.eks. tager et almindeligt atom, så vil vi ikke samtidig kunne måle bevægelseshastigheden og elektronernes position i det (det er det, der kaldes Heisenberg-usikkerhedsprincippet). Det vil sige, at resultatet ikke kan repræsenteres som en sekvens af nuller og enere.

I kvantemekanik Det er dog passende at stille dette spørgsmål: selvom resultatet ikke kan registreres, så kan det måske stadig sendes? Denne proces med at overføre information ud over den nøjagtighed, der tillades af klassiske målinger, kaldes kvanteteleportation.

Hvornår opstod kvanteteleportation første gang?

Eugene Polzik, professor ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet (Danmark), medlem af eksekutivkomiteen for Russian Quantum Center

I 1993 skrev seks fysikere - Bennett, Brossard og andre - ind Fysiske anmeldelsesbreve artikel (pdf), hvor de kom med vidunderlig terminologi for kvanteteleportation. Bemærkelsesværdigt også fordi denne terminologi siden udelukkende har påvirket offentligheden. positiv indflydelse. I deres arbejde blev kvanteinformationsoverførselsprotokollen beskrevet rent teoretisk.

I 1997 blev den første kvanteteleportation af fotoner udført (faktisk var der to eksperimenter - grupperne Seillinger og De Martini; Seillinger er simpelthen citeret mere). I deres arbejde teleporterede de polariseringen af ​​fotoner - retningen af ​​denne polarisering er en kvantestørrelse, det vil sige en mængde, der tager forskellige betydninger Med med forskellige sandsynligheder. Som det viste sig, kan denne værdi ikke måles, men teleportering kan udføres.

Her er, hvad du skal tage højde for: i Seillinger og De Martinis eksperimenter var teleportering sandsynlig, det vil sige, den fungerede med en vis sandsynlighed for succes. Det lykkedes at opnå en sandsynlighed på ikke mindre end 67 (2/3) procent – ​​hvad det på russisk er passende at kalde den klassiske grænse.

Teleportation, hvorom vi taler om, kaldet probabilistisk. I 1998 er vi i Californien teknologisk Institut lavet den såkaldte deterministiske teleportation. Vi teleporterede lysimpulsens fase og amplitude. De er, som fysikere siger, ligesom elektronens hastighed og placering "ikke-pendlende variable", og adlyder derfor det allerede nævnte Heisenberg-princip. Det vil sige, at samtidige målinger ikke er tilladt.

Et atom kan opfattes som en lille magnet. Retningen af ​​denne magnet er retningen af ​​spin. Du kan styre orienteringen af ​​en sådan "magnet" vha magnetfelt og lys. Fotoner - partikler af lys - har også et spin, som også kaldes polarisering.

Hvad er forskellen mellem probabilistisk og deterministisk teleportation?

For at forklare det, skal vi først tale lidt mere om teleportering. Forestil dig, at punkt A og B indeholder atomer, hver for nemheds skyld. Vi ønsker at teleportere f.eks. et atoms spin fra A til B, det vil sige at bringe atomet i punkt B ind i samme kvantetilstand som atom A. Som jeg allerede sagde, for denne ene klassiske kommunikationskanal er ikke nok , så der kræves to kanaler - den ene klassisk, den anden kvante. Vi bruger lyskvanter som en bærer af kvanteinformation.

Først passerer vi lys gennem atom B. Der sker en sammenfiltringsproces, som resulterer i, at der etableres en binding mellem lyset og atomets spin. Når lyset ankommer til A, kan vi antage, at der er etableret en kvantekommunikationskanal mellem de to punkter. Lys, der passerer gennem A, læser information fra atomet, og derefter fanges lyset af detektorer. Det er dette øjeblik, der kan betragtes som tidspunktet for informationstransmission via en kvantekanal.

Nu er der kun tilbage at overføre måleresultatet via den klassiske kanal til B, så de på baggrund af disse data kan udføre nogle transformationer på atomets spin (for eksempel ændre magnetfeltet). Som et resultat heraf modtager atomet ved punkt B spin-tilstanden af ​​atom A. Teleportering er fuldført.

I virkeligheden går fotoner, der bevæger sig langs en kvantekanal, dog tabt (for eksempel hvis denne kanal er en almindelig optisk fiber). Hovedforskellen mellem probabilistisk og deterministisk teleportation ligger netop i holdningen til disse tab. Den probabilistiske er ligeglad med, hvor mange der gik tabt der - hvis mindst én ud af en million fotoner ankom, så er det allerede godt. I denne forstand er det selvfølgelig mere velegnet til at sende fotoner over lange afstande ( Aktuelt er rekorden 143 kilometer - ca. "Tapes.ru"). Deterministisk teleportation behandler tab værre - generelt set, jo højere tab, jo større dårligere kvalitet teleportering, det vil sige i den modtagende ende af ledningen er resultatet ikke helt den oprindelige kvantetilstand - men det virker hver gang, for at sige det groft, du trykker på knappen.

Den sammenfiltrede tilstand af lys og atomer er i det væsentlige den sammenfiltrede tilstand af deres spins. Hvis spins af f.eks. et atom og en foton er sammenfiltret, så korrelerer målinger af deres parametre, som fysikere siger. Det betyder, at hvis en fotons spin for eksempel blev målt til at være opadgående, så ville atomets spin være nedadgående; hvis foton-spindet er rettet mod højre, så vil atomets spin blive rettet mod venstre, og så videre. Tricket er, at før måling har hverken fotonen eller atomet en bestemt spin-retning. Hvordan er det på trods af dette, at de er korrelerede? Det er her, du skal begynde at "blive svimmel af kvantemekanikken", som Niels Bohr sagde.

Eugene Polzik

Og hvordan adskiller deres anvendelsesområder sig?

Probabilistic er som sagt velegnet til at overføre data over lange afstande. Lad os sige, at hvis vi i fremtiden vil bygge et kvante-internet, så får vi brug for teleportering af denne type. Hvad angår den deterministiske, kan den være nyttig til at teleportere nogle processer.

Her skal vi straks afklare: nu er der ikke en sådan klar grænse mellem disse to typer teleportering. For eksempel ved det russiske kvantecenter (og ikke kun dér) udvikles "hybride" kvantekommunikationssystemer, hvor sandsynlighedstilgange delvist anvendes, og deterministiske tilgange delvist anvendes.

I vores arbejde var teleporteringen af ​​processen så, du ved, stroboskopisk - vi taler ikke om kontinuerlig teleportering endnu.

Så dette er en diskret proces?

Ja. Faktisk kan statslig teleportering naturligvis kun ske én gang. En af de ting, som kvantemekanikken forbyder, er kloning af stater. Det vil sige, hvis du teleporterede noget, så ødelagde du det.

Fortæl os om, hvad din gruppe var i stand til.

Vi havde et ensemble af cæsiumatomer, og vi teleporterede systemets kollektive spin. Vores gas var under påvirkning af en laser og et magnetfelt, så atomernes spins var orienteret nogenlunde ens. En uforberedt læser kan forestille sig det på denne måde - vores kollektiv er en stor magnetnål.

Pilen har en retningsusikkerhed (det betyder, at spindene er orienteret "omtrent" ens), den samme Heisenberg. Det er umuligt at måle retningen af ​​denne usikkerhed mere præcist, men teleportering af positionen er meget muligt. Størrelsen af ​​denne usikkerhed er enhed pr Kvadrat rod blandt atomerne.

Det er vigtigt at lave en digression her. Mit foretrukne system er en gas af atomer ved stuetemperatur. Problemet med dette system er dette: hvornår rumtemperaturer kvantetilstande falder hurtigt fra hinanden. I vores land lever disse spin-stater dog i meget lang tid. Og det lykkedes os at opnå dette takket være samarbejde med forskere fra St. Petersborg.

De udviklede belægninger, der videnskabeligt kaldes alkenbelægninger. I bund og grund er det noget, der ligner paraffin. Hvis man sprøjter sådan en belægning på indre del glascelle med gas, så flyver gasmolekylerne (med en hastighed på 200 meter i sekundet) og kolliderer med væggene, men der sker ikke noget med deres spin. De kan modstå omkring en million kollisioner som denne. Jeg har denne visuelle repræsentation af denne proces: Beklædningen er som en hel skov af vinstokke, meget stor, og for at ryggen kan forringes, skal du give ryggen til nogen. Og der er det hele så stort og forbundet, at der ikke er nogen at give det videre til, så han går derind, flyver og flyver ud igen, og der sker ham ikke noget. Vi begyndte at arbejde med disse belægninger for omkring 10 år siden. Nu er de blevet forbedret og bevist, at de også kan bruges på kvanteområdet.

Så lad os vende tilbage til vores cæsiumatomer. De var ved stuetemperatur (det er også godt, fordi alkenbelægninger ikke kan tåle høje temperaturer, og for at få gas skal man som regel fordampe noget, det vil sige varme det op).

Du teleporterede spin en halv meter. Er så kort afstand en grundlæggende begrænsning?

Selvfølgelig ikke. Som sagt tolererer deterministisk teleportation ikke tab, så vores laserimpulser gik gennem åbent rum - hvis vi kørte dem tilbage i den optiske fiber, ville der uvægerligt være en form for tab. Generelt set, hvis du engagerer dig i futurisme der, så er det meget muligt at skyde den samme stråle mod en satellit, som vil videresende signalet, hvor det er nødvendigt.

Du sagde, at du har planer om kontinuerlig teleportering?

Ja. Kun her skal kontinuitet forstås i flere betydninger. På den ene side har vi 10 12 atomer i vores arbejde, så diskretiteten i retningen af ​​det kollektive spin er så lille, at vi kan beskrive spindet med kontinuerte variable. I denne forstand var vores teleportering kontinuerlig.

På den anden side, hvis processen ændrer sig over tid, så kan vi tale om dens kontinuitet over tid. Så jeg kan gøre følgende. Denne proces har, lad os sige, en slags tidskonstant - lad os sige, at det sker i millisekunder, og så tog jeg det og opdelte det i mikrosekunder, og "boom" efter det første mikrosekund, jeg teleporterede; så skal du returnere den til sin oprindelige tilstand.

Hver sådan teleportering ødelægger selvfølgelig den teleporterede tilstand, men den eksterne excitation, som denne proces forårsager, påvirker ikke. Derfor teleporterer vi i det væsentlige et bestemt integral. Vi kan "udvide" dette integral og lære noget om eksterne excitationer. Et teoretisk papir, der foreslår alt dette, er netop blevet offentliggjort. Fysiske anmeldelsesbreve.

Faktisk kan denne form for frem-og-tilbage-teleportation bruges til meget dybe ting. Jeg har noget i gang her, og der sker noget her, og ved hjælp af teleporteringskanalen kan jeg simulere interaktionen – som om disse to spins, som aldrig har interageret med hinanden, faktisk interagerer. Altså sådan en kvantesimulering.

Og kvantesimulering er, hvad alle hopper om nu. I stedet for at faktorisere millioner cifre, kan du blot simulere. Husk den samme D-bølge.

Deterministisk teleportation kunne bruges i kvantecomputere?

Måske, men så ville det være nødvendigt at teleportere qubits. Dette vil kræve alle mulige fejlkorrektionsalgoritmer. Og de er lige begyndt at blive udviklet.

Professor ved fakultetet for fysik ved University of Calgary (Canada), medlem af Canadian Institute of Higher Studies Alexander Lvovsky prøvede i et enkelt sprog tale om principperne for kvanteteleportation og kvantekryptografi.

Nøgle til låsen

Kryptografi er kunsten at kommunikere på en sikker måde over en usikker kanal. Det vil sige, at du har en bestemt linje, der kan trykkes på, og du skal sende en hemmelig besked henover, som ingen andre kan læse.

Lad os forestille os, at hvis Alice og Bob har en såkaldt hemmelig nøgle, nemlig en hemmelig sekvens af nuller og ener, som ingen andre har, kan de kryptere en besked med den nøgle ved at bruge en eksklusiv ELLER-operation, så nullet matcher med nul, og en med en. En sådan krypteret besked kan allerede transmitteres over en åben kanal. Hvis nogen opsnapper det, er det ikke en big deal, for ingen kan læse det undtagen Bob, som har en kopi af den hemmelige nøgle.

I enhver kryptografi, i enhver kommunikation, er den dyreste ressource en tilfældig sekvens af nuller og enere, som kun ejes af to, der kommunikerer. Men i de fleste tilfælde bruges offentlig nøglekryptografi. Lad os sige, at du køber noget ved hjælp af kreditkort i onlinebutikken ved hjælp af den sikre HTTPS-protokol. Gennem den taler din computer med en eller anden server, som den aldrig har kommunikeret med før, og den havde ikke mulighed for at udveksle en hemmelig nøgle med denne server.

Hemmeligheden af ​​denne dialog er sikret ved løsningen af ​​et kompleks matematisk problem, især - nedbrydning til prime faktorer. Gang to Primtal let, men hvis opgaven allerede er givet at finde deres produkt, at finde to faktorer, så er det svært. Hvis tallet er stort nok, vil det kræve en konventionel computer at regne i mange år.

Men hvis denne computer ikke er almindelig, men kvante, vil den let løse et sådant problem. Når den endelig er opfundet, vil ovenstående meget anvendte metode blive ubrugelig, hvilket forventes at få katastrofale konsekvenser for samfundet.

Hvis du husker, i den første Harry Potter-bog, skulle hovedpersonen gennem sikkerhedskontrollen for at komme til De Vises Sten. Her er noget lignende: den, der installerede beskyttelsen, kommer nemt igennem det. Harry havde en meget svær tid, men til sidst overvandt han den.

Dette eksempel illustrerer offentlig nøglekryptografi meget godt. En, der ikke ved det, kunne i princippet være i stand til at tyde beskederne, men det ville være meget svært for dem og potentielt tage mange år. Offentlig nøglekryptering giver ikke absolut sikkerhed.

Kvantekryptografi

Alt dette forklarer behovet for kvantekryptografi. Hun giver os det bedste fra begge verdener. Der er en engangs-pad-metode, som er pålidelig, men på den anden side kræver en "dyr" hemmelig nøgle. For at Alice kan kommunikere med Bob, skal hun sende ham en kurer med en kuffert fuld af diske med sådanne nøgler. Han vil gradvist bruge dem op, da hver af dem kun kan bruges én gang. På den anden side har vi public key-metoden, som er "billig", men ikke giver absolut pålidelighed.

Kvantekryptografi er på den ene side "billig" den tillader sikker transmission af en nøgle gennem en kanal, der kan hackes, og på den anden side garanterer den hemmeligholdelse takket være fysikkens grundlæggende love. Dens betydning er at indkode information i individuelle fotoners kvantetilstand.

I overensstemmelse med kvantefysikkens postulater ødelægges og ændres kvantetilstanden i det øjeblik, hvor den forsøges målt. Så hvis der er en spion på linjen mellem Alice og Bob, der forsøger at aflytte eller spionere, vil han uundgåeligt ændre fotonernes tilstand, kommunikatorerne vil bemærke, at linjen bliver aflyttet, stoppe kommunikationen og skride til handling.

I modsætning til mange andre kvanteteknologier er kvantekryptografi kommerciel og ikke science fiction. Der er allerede firmaer, der producerer servere, der forbinder til en almindelig fiberoptisk linje, ved hjælp af hvilken man kan udføre sikker kommunikation.

Hvordan fungerer en polariserende stråledeler?

Lys er tværgående elektromagnetisk bølge oscillerende ikke langs, men på tværs. Denne egenskab kaldes polarisering, og den er til stede selv i individuelle fotoner. De kan bruges til at kode information. For eksempel er en vandret foton et nul, og en lodret foton er en et (det samme gælder for fotoner med en polarisering på plus 45 grader og minus 45 grader).

Alice har kodet informationen på denne måde, og Bob er nødt til at acceptere den. Til dette formål bruges det speciel enhed- polarisationsstråledeler, en terning bestående af to prismer limet sammen. Det transmitterer vandret polariseret flow og reflekterer vertikalt polariseret flow, på grund af hvilken information dekodes. Hvis den vandrette foton er nul, og den lodrette foton er én, så vil en detektor klikke i tilfælde af et logisk nul, og i tilfælde af en vil den anden klikke.

Men hvad sker der, hvis vi sender en diagonal foton? Så begynder den berømte kvantetilfældighed at spille en rolle. Det er umuligt at sige, om en sådan foton vil passere igennem eller blive reflekteret - med 50 procents sandsynlighed vil den gøre enten det ene eller det andet. Det er principielt umuligt at forudsige hans adfærd. Desuden ligger denne ejendom til grund for kommercielle tilfældige talgeneratorer.

Hvad skal vi gøre, hvis vi har til opgave at skelne polarisationer på plus 45 grader og minus 45 grader? Du skal dreje stråledeleren rundt om stråleaksen. Så vil loven om kvantetilfældighed gælde for fotoner med vandret og lodret polarisering. Denne egenskab er fundamental. Vi kan ikke stille spørgsmålet om, hvilken polarisering denne foton har.

Princippet om kvantekryptografi

Hvad er ideen bag kvantekryptografi? Antag, at Alice sender Bob en foton, som hun koder enten vandret-lodret eller diagonalt. Bob slår også en mønt og beslutter tilfældigt, om hans basis skal være vandret-lodret eller diagonalt. Hvis deres kodningsmetoder stemmer overens, vil Bob modtage de data, som Alice sendte, men hvis ikke, så en slags nonsens. De udfører denne operation mange tusinde gange, og "ringer derefter til hinanden" via en åben kanal og informerer hinanden på hvilket grundlag de har foretaget overførslen - vi kan antage, at denne information nu er tilgængelig for enhver. Dernæst vil Bob og Alice være i stand til at luge ud begivenheder, hvor baserne var forskellige og efterlade dem, hvor de var ens (der vil være omkring halvdelen af ​​dem).

Lad os sige, at en eller anden spion er brudt ind i linjen og ønsker at aflytte beskeder, men han skal også måle informationen på et eller andet grundlag. Lad os forestille os, at det faldt sammen for Alice og Bob, men ikke for spionen. I en situation, hvor dataene blev sendt på en horisontal-vertikal basis, og aflytteren målte transmissionen på en diagonal basis, vil han modtage en tilfældig værdi og sende en vilkårlig foton til Bob, da han ikke ved, hvad det skal være. På denne måde vil hans indgriben blive bemærket.

For det meste hovedproblemet Kvantekryptografi er et tab. Selv den bedste og mest moderne optiske fiber producerer 50 procent tab for hver 10-12 kilometer kabel. Lad os sige, at vi sender vores hemmelige nøgle fra Moskva til Skt. Petersborg - 750 kilometer, og kun én ud af en milliard milliard fotoner vil nå målet. Alt dette gør teknologien fuldstændig upraktisk. Det er grunden til, at moderne kvantekryptografi kun fungerer i en afstand på omkring 100 kilometer. Teoretisk set er det kendt, hvordan man løser dette problem - ved hjælp af kvanterepeatere, men deres implementering kræver kvanteteleportering.

Kvantesammenfiltring

Den videnskabelige definition af kvantesammenfiltring er en delokaliseret superpositionstilstand. Det lyder kompliceret, men et simpelt eksempel kan gives. Antag, at vi har to fotoner: vandret og lodret, hvis kvantetilstande er indbyrdes afhængige. Vi sender den ene til Alice og den anden til Bob, som foretager målinger på en polarisationsstråledeler.

Når disse målinger foretages i det sædvanlige horisontale-lodrette grundlag, er det klart, at resultatet vil være korreleret. Hvis Alice bemærkede en vandret foton, så vil den anden naturligvis være lodret og omvendt. Dette kan forestilles mere enkelt: vi har en blå og en rød kugle, uden at kigge forsegler vi hver af dem i en konvolut og sender den til to modtagere - hvis den ene modtager en rød, vil den anden helt sikkert modtage en blå.

Men i tilfælde af kvantesammenfiltring stopper sagen ikke der. Denne korrelation finder ikke kun sted i den horisontale-lodrette basis, men også i enhver anden. For eksempel, hvis Alice og Bob samtidig roterer deres stråledelere 45 grader, vil de igen have et perfekt match.

Dette er et meget mærkeligt kvantefænomen. Lad os sige, at Alice på en eller anden måde roterede sin stråledeler og opdagede en foton med polarisering α, der passerede gennem den. Hvis Bob måler sin foton på samme basis, vil han finde en polarisering på 90 grader +α.

Så i begyndelsen har vi en tilstand af sammenfiltring: Alices foton er fuldstændig usikker og Bobs foton er fuldstændig usikker. Da Alice målte sin foton og fandt en værdi, ved man nu præcis, hvilken foton Bob har, uanset hvor langt væk han er. Denne effekt er gentagne gange blevet bekræftet af eksperimenter, det er ikke fantasi.

Lad os sige, at Alice har en bestemt foton med polarisering α, som hun endnu ikke kender, dvs. den er i en ukendt tilstand. Mellem hende og Bob er der ingen direkte kanal. Hvis der var en kanal, ville Alice være i stand til at registrere fotonens tilstand og formidle denne information til Bob. Men det er umuligt at kende kvantetilstanden i én måling, så denne metode er ikke egnet. Men mellem Alice og Bob er der et forudarrangeret sammenfiltret par fotoner. På grund af dette er det muligt at tvinge Bobs foton til at acceptere den oprindelige tilstand af Alices foton og derefter "ringe" via en konventionel telefonlinje.

Her er en klassisk (omend meget fjern analog) af alt dette. Alice og Bob modtager hver en kugle i en konvolut - blå eller rød. Alice vil gerne sende Bob information om, hvad hendes er. For at gøre dette skal hun "ringe" Bob og sammenligne boldene og fortælle ham "jeg har den samme" eller "vi har forskellige." Hvis nogen overhører denne linje, vil det ikke hjælpe dem at kende deres farve.

Der er således fire mulige udfald af begivenheder (konventionelt har modtagerne blå bolde, røde bolde, røde og blå eller blå og røde). De er interessante, fordi de danner et grundlag. Hvis vi har to fotoner med en ukendt polarisering, så kan vi "stille dem et spørgsmål" i hvilken af ​​disse tilstande de er i og få et svar. Men hvis mindst en af ​​dem viser sig at være viklet ind i en anden foton, vil effekten af ​​fjernforberedelse forekomme, og den tredje, fjerntliggende foton vil blive "forberedt" i en bestemt tilstand. Dette er hvad kvanteteleportation er baseret på.

Hvordan fungerer det hele? Vi har en sammenfiltret tilstand og en foton, som vi ønsker at teleportere. Alice skal foretage en passende måling af den originale teleporterede foton og spørge, hvilken tilstand den anden er i. Hun modtager tilfældigt et af fire mulige svar. Som et resultat af fjerntilberedningseffekten viser det sig, at efter denne måling, afhængigt af resultatet, gik Bobs foton i en bestemt tilstand. Før dette var han viklet ind i Alices foton og forblev i en ubestemt tilstand.

Alice fortæller Bob over telefonen, hvad resultatet af hendes målinger var. Hvis resultatet f.eks. viste sig at være ψ-, så ved Bob, at hans foton automatisk blev transformeret til denne tilstand. Hvis Alice rapporterede, at hendes måling gav resultatet ψ+, så antog Bobs foton polarisering -α. I slutningen af ​​teleporteringseksperimentet ender Bob med en kopi af Alices originale foton, og hendes foton og informationen om den bliver ødelagt i processen.

Teleporteringsteknologi

Nu kan vi teleportere polariseringen af ​​fotoner og nogle tilstande af atomer. Men når de skriver, at videnskabsmænd har lært at teleportere atomer, er det løgn, for atomer har en masse kvantetilstande, et uendeligt antal. I bedste fald fandt vi ud af, hvordan vi skulle teleportere et par af dem.

Mit yndlingsspørgsmål er, hvornår vil menneskelig teleportering ske? Svaret er aldrig. Lad os sige, at vi har kaptajn Picard fra Star Trek, som skal teleporteres til overfladen af ​​en planet fra et skib. For at gøre dette, som vi allerede ved, skal vi lave et par flere af de samme Picarder, bringe dem i en forvirret tilstand, der inkluderer alle hans mulige stater(ædru, fuld, sover, ryger - absolut alt) og tag mål på begge dele. Det er tydeligt, hvor svært og urealistisk dette er.

Kvanteteleportation er et interessant, men laboratoriefænomen. Det vil ikke komme ned til teleportering af levende væsener (ifølge i det mindste, snart). Det kan dog i praksis bruges til at skabe kvanterepeatere til at transmittere information over lange afstande.

På hjemmesiden for tidsskriftet Nature blev der den 9. august offentliggjort kinesiske videnskabsmænd, som formåede at opnå kvanteteleportering over en afstand på omkring 97 km. Dette er en ny rekord, selvom der i arXiv.org siden den 17. maj har været en, der endnu ikke er blevet offentliggjort nogen steder af en anden gruppe, som rapporterer vellykkede eksperimenter med teleportering over en afstand på omkring 143 km.

På trods af at fænomenet kvanteteleportation er blevet undersøgt i et stykke tid, har folk langt fra videnskaben ingen forståelse af, hvad det er. Jeg vil forsøge at aflive nogle myter forbundet med denne del af videnskaben.

Myte 1: Kvanteteleportering giver dig teoretisk mulighed for at teleportere ethvert objekt.

Faktisk er det under kvanteteleportation ikke fysiske objekter, der transmitteres, men noget information registreret ved hjælp af objekters kvantetilstande. Typisk er denne tilstand fotonpolarisering. En foton kan som bekendt have to forskellige polariseringer: for eksempel vandret og lodret. De kan bruges som bærere af bitinformation: f.eks. vil 0 svare til horisontal polarisering og 1 til lodret. Så vil overførslen af ​​en fotons tilstand til en anden sikre overførsel af information.

I tilfælde af kvanteteleportering sker dataoverførsel som følger. Først skabes et par såkaldte linkede fotoner. Det betyder, at deres tilstande viser sig at være forbundet på en måde: hvis den ene har en vandret polarisering, når den måles, så vil den anden altid have en vertikal polarisering og omvendt, og begge muligheder opstår med samme sandsynlighed. Så bliver disse fotoner båret væk: den ene forbliver ved kilden til beskeden, og den anden bliver båret væk af sin modtager.

Når en kilde ønsker at transmittere sit budskab, kobler den sin foton med en anden foton, hvis tilstand (det vil sige polarisering) er nøjagtigt kendt, og måler derefter polariseringen af ​​begge dens fotoner. I dette øjeblik ændres tilstanden af ​​fotonen placeret ved modtageren på en konsistent måde. Ved at måle dens polarisering og lære resultaterne af målinger af kildefotoner gennem andre kommunikationskanaler, kan modtageren nøjagtigt bestemme, hvilken bit information der blev transmitteret.

Myte 2: Kvanteteleportering kan transmittere information hurtigere end lysets hastighed.

Faktisk, ifølge moderne koncepter, sker overførslen af ​​tilstande mellem forbundne fotoner øjeblikkeligt, så man kan få en følelse af, at information transmitteres øjeblikkeligt. Dette er imidlertid ikke tilfældet, da selv om tilstanden blev transmitteret, kan den kun læses ved at dechifrere meddelelsen efter at have transmitteret yderligere information om, hvad polarisationerne af de to fotoner placeret ved kilden er. Det her Yderligere Information transmitteres via klassiske kommunikationskanaler, og dens transmissionshastighed kan ikke overstige lysets hastighed.

Myte 3: Det viser sig, at kvanteteleportation er fuldstændig uinteressant.

Selvfølgelig viser det sig i praksis, at processen med kvanteteleportering måske ikke er så spændende, som navnet antyder, men den kan også få betydning praktisk brug. Først og fremmest er dette en sikker dataoverførsel. Det er altid muligt at opsnappe en besked sendt gennem klassiske kommunikationskanaler, men kun den, der har den anden linkede foton, kan bruge den. Alle andre vil simpelthen ikke kunne læse beskeden. Desværre indtil reel brug denne effekt er langt væk, på på dette tidspunkt Der er kun videnskabelige eksperimenter, der kræver ret komplekst udstyr.

Hvis du er interesseret i dette emne, kan du også være interesseret i at læse om hvad