Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι η μεταφορά μιας κβαντικής κατάστασης σε απόσταση. Είναι δύσκολο να το εξηγήσουμε ξεχωριστά, μπορεί να γίνει μόνο σε συνδυασμό με το σύνολο της κβαντικής φυσικής. Στη διάλεξή του που πραγματοποιήθηκε ως μέρος της Αίθουσας Διαλέξεων 2035 στο VDNKh, ο καθηγητής της Σχολής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Κάλγκαρι (Καναδάς), μέλος του Καναδικού Ινστιτούτου Ανώτατων Σπουδών Alexander Lvovsky προσπάθησε να εξηγήσει με απλά λόγια τις αρχές της κβαντικής τηλεμεταφοράς και κβαντική κρυπτογραφία. Το Lenta.ru δημοσιεύει αποσπάσματα από την ομιλία του.

Κλειδί για το κάστρο

Η κρυπτογραφία είναι η τέχνη της ασφαλούς επικοινωνίας μέσω ενός ανασφαλούς καναλιού. Δηλαδή, έχετε μια συγκεκριμένη γραμμή που μπορείτε να ακούσετε και πρέπει να στείλετε ένα μυστικό μήνυμα πάνω της που κανείς άλλος δεν μπορεί να διαβάσει.

Φανταστείτε ότι, ας πούμε, εάν η Αλίκη και ο Μπομπ έχουν ένα λεγόμενο μυστικό κλειδί, δηλαδή μια μυστική ακολουθία μηδενικών και μονάδων που κανείς άλλος δεν έχει, μπορούν να κρυπτογραφήσουν ένα μήνυμα χρησιμοποιώντας αυτό το κλειδί, εφαρμόζοντας τη λειτουργία XOR έτσι ώστε το μηδέν να ταιριάζει με μηδέν και ένα με ένα. Ένα τέτοιο κρυπτογραφημένο μήνυμα μπορεί ήδη να μεταδοθεί μέσω ανοιχτού καναλιού. Αν κάποιος το υποκλέψει, δεν πειράζει, γιατί κανείς δεν μπορεί να το διαβάσει, εκτός από τον Μπομπ, ο οποίος έχει ένα αντίγραφο του μυστικού κλειδιού.

Σε κάθε κρυπτογραφία, σε οποιαδήποτε επικοινωνία, ο πιο ακριβός πόρος είναι μια τυχαία ακολουθία μηδενικών και μονάδων, η οποία ανήκει μόνο σε δύο που επικοινωνούν. Αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις, χρησιμοποιείται κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού. Ας υποθέσουμε ότι αγοράζετε κάτι με μια πιστωτική κάρτα από ένα ηλεκτρονικό κατάστημα χρησιμοποιώντας ασφαλές HTTPS. Σύμφωνα με αυτό, ο υπολογιστής σας συνομιλεί με κάποιον διακομιστή με τον οποίο δεν έχει επικοινωνήσει ποτέ πριν και δεν είχε την ευκαιρία να ανταλλάξει μυστικό κλειδί με αυτόν τον διακομιστή.

Το μυστήριο αυτού του διαλόγου παρέχεται με την επίλυση ενός πολύπλοκου μαθηματικού προβλήματος, ειδικότερα της αποσύνθεσης σε πρώτους παράγοντες. Ο πολλαπλασιασμός δύο πρώτων αριθμών είναι εύκολος, αλλά αν το γινόμενο τους είναι ήδη δεδομένο, τότε η εύρεση δύο παραγόντων είναι δύσκολη. Εάν ο αριθμός είναι αρκετά μεγάλος, θα απαιτηθούν πολλά χρόνια υπολογισμών από έναν συμβατικό υπολογιστή.

Ωστόσο, αν αυτός ο υπολογιστής δεν είναι συνηθισμένος, αλλά κβαντικός, θα λύσει εύκολα ένα τέτοιο πρόβλημα. Όταν τελικά εφευρεθεί, η ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος παραπάνω θα αχρηστευτεί, κάτι που αναμένεται να είναι καταστροφικό για την κοινωνία.

Αν θυμάστε, στο πρώτο βιβλίο του Χάρι Πότερ, ο πρωταγωνιστής έπρεπε να περάσει από την ασφάλεια για να φτάσει στη Φιλοσοφική Λίθο. Υπάρχει κάτι παρόμοιο εδώ: για όσους έχουν δημιουργήσει προστασία, θα είναι εύκολο να το περάσουν. Ήταν πολύ δύσκολο για τον Χάρι, αλλά τελικά το ξεπέρασε.

Αυτό το παράδειγμα απεικονίζει πολύ καλά την κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού. Όποιος δεν τον γνωρίζει είναι καταρχήν σε θέση να αποκρυπτογραφήσει τα μηνύματα, αλλά θα είναι πολύ δύσκολο γι 'αυτόν, και αυτό θα πάρει ενδεχομένως πολλά χρόνια. Η κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού δεν παρέχει απόλυτη ασφάλεια.

κβαντική κρυπτογραφία

Όλα αυτά εξηγούν την ανάγκη για κβαντική κρυπτογραφία. Μας δίνει το καλύτερο και των δύο κόσμων. Υπάρχει μια μέθοδος pad one-time, αξιόπιστη, αλλά, από την άλλη, απαιτεί ένα "ακριβό" μυστικό κλειδί. Για να επικοινωνήσει η Αλίκη με τον Μπομπ, πρέπει να του στείλει έναν κούριερ με μια βαλίτσα γεμάτη δίσκους που περιέχουν τέτοια κλειδιά. Σταδιακά θα τα καταναλώσει, αφού το καθένα από αυτά μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μία φορά. Από την άλλη, έχουμε τη μέθοδο δημόσιου κλειδιού, η οποία είναι «φθηνή» αλλά δεν παρέχει απόλυτη ασφάλεια.

Εικόνα: Μουσείο Επιστημών / Globallookpress.com

Η κβαντική κρυπτογραφία, αφενός, είναι «φθηνή», επιτρέπει την ασφαλή μετάδοση ενός κλειδιού μέσω ενός καναλιού που μπορεί να εισαχθεί και, αφετέρου, εγγυάται το απόρρητο λόγω των θεμελιωδών νόμων της φυσικής. Το νόημά του είναι να κωδικοποιεί πληροφορίες στην κβαντική κατάσταση μεμονωμένων φωτονίων.

Σύμφωνα με τα αξιώματα της κβαντικής φυσικής, η κβαντική κατάσταση τη στιγμή που επιχειρείται να μετρηθεί καταστρέφεται και αλλάζει. Έτσι, εάν υπάρχει κάποιος κατάσκοπος στη γραμμή μεταξύ της Αλίκης και του Μπομπ που προσπαθεί να κρυφακούσει ή να κρυφοκοιτάξει, αναπόφευκτα θα αλλάξει την κατάσταση των φωτονίων, οι επικοινωνούντες θα παρατηρήσουν ότι η γραμμή χτυπιέται, θα σταματήσουν την επικοινωνία και θα αναλάβουν δράση.

Σε αντίθεση με πολλές άλλες κβαντικές τεχνολογίες, η κβαντική κρυπτογραφία είναι εμπορική και όχι επιστημονική φαντασία. Ήδη, υπάρχουν εταιρείες που παράγουν διακομιστές που συνδέονται με μια συμβατική γραμμή οπτικών ινών, μέσω των οποίων μπορείτε να επικοινωνείτε με ασφάλεια.

Πώς λειτουργεί ένας πολωτικός διαχωριστής δέσμης

Το φως είναι ένα εγκάρσιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα, που ταλαντώνεται όχι κατά μήκος, αλλά κατά μήκος. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται πόλωση και είναι παρούσα ακόμη και σε μεμονωμένα φωτόνια. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση πληροφοριών. Για παράδειγμα, ένα οριζόντιο φωτόνιο είναι μηδέν και ένα κατακόρυφο φωτόνιο είναι ένα (το ίδιο ισχύει για φωτόνια με πόλωση συν 45 μοίρες και μείον 45 μοίρες).

Η Αλίκη κωδικοποίησε τις πληροφορίες με αυτόν τον τρόπο και ο Μπομπ πρέπει να τις αποδεχτεί. Για αυτό, χρησιμοποιείται μια ειδική συσκευή - ένας πολωτικός διαχωριστής δέσμης, ένας κύβος που αποτελείται από δύο πρίσματα κολλημένα μεταξύ τους. Μεταδίδει ένα οριζόντια πολωμένο ρεύμα και αντανακλά ένα κατακόρυφα πολωμένο, λόγω του οποίου αποκωδικοποιείται η πληροφορία. Εάν το οριζόντιο φωτόνιο είναι μηδέν και το κατακόρυφο φωτόνιο είναι ένα, τότε ο ένας ανιχνευτής θα κάνει κλικ στην περίπτωση ενός λογικού μηδενός και ο άλλος στην περίπτωση ενός.

Τι γίνεται όμως αν στείλουμε ένα διαγώνιο φωτόνιο; Τότε αρχίζει να παίζει ρόλο το περίφημο κβαντικό ατύχημα. Είναι αδύνατο να πούμε αν ένα τέτοιο φωτόνιο θα περάσει ή θα ανακλαστεί - θα κάνει είτε το ένα είτε το άλλο με πιθανότητα 50 τοις εκατό. Η πρόβλεψη της συμπεριφοράς του είναι κατ' αρχήν αδύνατη. Επιπλέον, αυτή η ιδιότητα βασίζεται σε εμπορικές γεννήτριες τυχαίων αριθμών.

Τι να κάνουμε εάν έχουμε το καθήκον να διακρίνουμε τις πολώσεις συν 45 μοιρών και μείον 45 μοιρών; Είναι απαραίτητο να περιστρέψετε τον διαχωριστή δέσμης γύρω από τον άξονα της δέσμης. Τότε ο νόμος της κβαντικής τυχαιότητας θα λειτουργήσει για φωτόνια με οριζόντια και κάθετη πόλωση. Αυτή η ιδιότητα είναι θεμελιώδης. Δεν μπορούμε να ρωτήσουμε τι πόλωση έχει αυτό το φωτόνιο.

Φωτογραφία: Μουσείο Επιστημών / Globallookpress.com

Αρχή της κβαντικής κρυπτογραφίας

Ποια είναι η ιδέα πίσω από την κβαντική κρυπτογραφία; Ας υποθέσουμε ότι η Αλίκη στέλνει ένα φωτόνιο στον Μπομπ, το οποίο κωδικοποιεί είτε οριζόντια-κάθετα είτε διαγώνια. Ο Μπομπ γυρίζει επίσης ένα νόμισμα, αποφασίζοντας τυχαία εάν η βάση του θα είναι οριζόντια-κάθετη ή διαγώνια. Εάν οι μέθοδοι κωδικοποίησής τους ταιριάζουν, ο Bob θα λάβει τα δεδομένα που έστειλε η Alice, αν όχι, τότε μερικές ανοησίες. Πραγματοποιούν αυτήν την επιχείρηση πολλές χιλιάδες φορές και στη συνέχεια «καλούν» σε ένα ανοιχτό κανάλι και λένε ο ένας στον άλλο σε ποιες βάσεις έκαναν τη μεταφορά - μπορούμε να υποθέσουμε ότι αυτές οι πληροφορίες είναι πλέον διαθέσιμες σε οποιονδήποτε. Στη συνέχεια, ο Bob και η Alice θα μπορούν να εξαλείψουν γεγονότα στα οποία οι βάσεις ήταν διαφορετικές και να αφήσουν εκείνα στα οποία ήταν ίδιες (θα υπάρχουν περίπου τα μισά από αυτά).

Ας υποθέσουμε ότι κάποιος κατάσκοπος έχει μπει στη γραμμή που θέλει να κρυφακούει μηνύματα, αλλά χρειάζεται επίσης να μετρήσει τις πληροφορίες σε κάποια βάση. Φανταστείτε ότι η Αλίκη και ο Μπομπ έχουν το ίδιο, αλλά ο κατάσκοπος όχι. Σε μια κατάσταση όπου τα δεδομένα στάλθηκαν σε οριζόντια-κάθετη βάση και ο υποκλοπής μέτρησε τη μετάδοση σε διαγώνιο, θα λάβει μια τυχαία τιμή και θα προωθήσει κάποιο αυθαίρετο φωτόνιο στον Bob, αφού δεν ξέρει τι πρέπει να είναι. Έτσι θα γίνει αντιληπτή η παρέμβασή του.

Το μεγαλύτερο πρόβλημα στην κβαντική κρυπτογραφία είναι η απώλεια. Ακόμη και η καλύτερη και πιο σύγχρονη ίνα δίνει 50 τοις εκατό απώλεια για κάθε 10-12 χιλιόμετρα καλωδίου. Ας υποθέσουμε ότι στέλνουμε το μυστικό μας κλειδί από τη Μόσχα στην Αγία Πετρούπολη - για 750 χιλιόμετρα, και μόνο ένα στα δισεκατομμύρια φωτόνια θα φτάσει στον στόχο. Όλα αυτά καθιστούν την τεχνολογία εντελώς μη πρακτική. Γι' αυτό η σύγχρονη κβαντική κρυπτογραφία λειτουργεί μόνο σε απόσταση περίπου 100 χιλιομέτρων. Θεωρητικά, είναι γνωστός τρόπος επίλυσης αυτού του προβλήματος - με τη βοήθεια κβαντικών αναμεταδοτών, αλλά η εφαρμογή τους απαιτεί κβαντική τηλεμεταφορά.

Φωτογραφία: Perry Mastrovito / Globallookpress.com

κβαντική εμπλοκή

Ο επιστημονικός ορισμός της κβαντικής εμπλοκής είναι μια μετατοπισμένη κατάσταση υπέρθεσης. Ακούγεται περίπλοκο, αλλά μπορεί να δοθεί ένα απλό παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο φωτόνια: οριζόντια και κάθετα, των οποίων οι κβαντικές καταστάσεις είναι αλληλεξαρτώμενες. Στέλνουμε ένα από αυτά στην Αλίκη και το άλλο στον Μπομπ, ο οποίος κάνει μετρήσεις σε ένα πολωτικό διαχωριστή δέσμης.

Όταν αυτές οι μετρήσεις γίνονται στη συνήθη οριζόντια-κάθετη βάση, είναι σαφές ότι το αποτέλεσμα θα συσχετιστεί. Εάν η Αλίκη παρατήρησε ένα οριζόντιο φωτόνιο, τότε το δεύτερο, φυσικά, θα είναι κατακόρυφο και το αντίστροφο. Αυτό μπορεί να το φανταστεί κανείς με πιο απλό τρόπο: έχουμε μια μπλε και μια κόκκινη μπάλα, σφραγίζουμε το καθένα από αυτά σε έναν φάκελο χωρίς να κοιτάξουμε και το στέλνουμε σε δύο παραλήπτες - αν ο ένας λάβει κόκκινο, ο δεύτερος θα λάβει σίγουρα μπλε.

Αλλά στην περίπτωση της κβαντικής εμπλοκής, το θέμα δεν περιορίζεται σε αυτό. Αυτή η συσχέτιση λαμβάνει χώρα όχι μόνο στην οριζόντια-κάθετη βάση, αλλά και σε οποιαδήποτε άλλη. Για παράδειγμα, εάν η Alice και ο Bob περιστρέψουν τους διαχωριστές δέσμης τους κατά 45 μοίρες ταυτόχρονα, θα έχουν και πάλι ένα τέλειο ταίριασμα.

Αυτό είναι ένα πολύ περίεργο κβαντικό φαινόμενο. Ας πούμε ότι η Αλίκη γύρισε με κάποιο τρόπο τον διαχωριστή δέσμης της και βρήκε κάποιο φωτόνιο με πόλωση α που πέρασε μέσα από αυτό. Εάν ο Bob μετρήσει το φωτόνιό του στην ίδια βάση, θα βρει πόλωση 90 μοιρών +α.

Έτσι, στην αρχή έχουμε μια κατάσταση εμπλοκής: το φωτόνιο της Αλίκης είναι εντελώς απροσδιόριστο και το φωτόνιο του Μπομπ είναι εντελώς απροσδιόριστο. Όταν η Αλίκη μέτρησε το φωτόνιό της, βρήκε κάποια τιμή, τώρα ξέρουμε ακριβώς ποιο φωτόνιο έχει ο Μπομπ, όσο μακριά κι αν είναι. Αυτό το αποτέλεσμα έχει επιβεβαιωθεί επανειλημμένα από πειράματα, αυτό δεν είναι φαντασία.

κβαντική τηλεμεταφορά

Ας υποθέσουμε ότι η Αλίκη έχει ένα ορισμένο φωτόνιο με πόλωση α, το οποίο δεν γνωρίζει ακόμη, δηλαδή σε άγνωστη κατάσταση. Δεν υπάρχει άμεσο κανάλι μεταξύ αυτής και του Μπομπ. Αν υπήρχε κανάλι, τότε η Αλίκη θα μπορούσε να καταχωρήσει την κατάσταση του φωτονίου και να μεταφέρει αυτές τις πληροφορίες στον Μπομπ. Αλλά είναι αδύνατο να γνωρίζουμε την κβαντική κατάσταση σε μία μέτρηση, επομένως αυτή η μέθοδος δεν είναι κατάλληλη. Ωστόσο, μεταξύ της Αλίκης και του Μπομπ υπάρχει ένα προπαρασκευασμένο ζεύγος φωτονίων. Εξαιτίας αυτού, είναι δυνατό να κάνουμε το φωτόνιο του Μπομπ να πάρει την αρχική κατάσταση του φωτονίου της Αλίκης, που "τηλεφώνησε" αργότερα σε μια τηλεφωνική γραμμή υπό όρους.

Εδώ είναι ένα κλασικό (αν και πολύ μακρινό ανάλογο) όλων αυτών. Η Αλίκη και ο Μπομπ λαμβάνουν ο καθένας ένα κόκκινο ή μπλε μπαλόνι σε έναν φάκελο. Η Αλίκη θέλει να στείλει στον Μπομπ πληροφορίες για το τι έχει. Για να το κάνει αυτό, χρειάζεται, έχοντας «τηλεφωνήσει» στον Μπομπ, να συγκρίνει τις μπάλες, λέγοντάς του «Έχω την ίδια» ή «Έχουμε διαφορετικές». Αν κάποιος κρυφακούει αυτή τη γραμμή, δεν θα τον βοηθήσει να αναγνωρίσει το χρώμα του.

Πώς λειτουργούν όλα; Έχουμε μια μπλεγμένη κατάσταση και ένα φωτόνιο που θέλουμε να τηλεμεταφέρουμε. Η Αλίκη πρέπει να κάνει μια κατάλληλη μέτρηση του αρχικού τηλεμεταφερόμενου φωτονίου και να ρωτήσει σε ποια κατάσταση βρίσκεται το άλλο. Τυχαία, λαμβάνει μία από τις τέσσερις πιθανές απαντήσεις. Ως αποτέλεσμα του εφέ απομακρυσμένου μαγειρέματος, αποδεικνύεται ότι μετά από αυτή τη μέτρηση, ανάλογα με το αποτέλεσμα, το φωτόνιο του Μπομπ πήγε σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Πριν από αυτό, ήταν μπλεγμένος με το φωτόνιο της Αλίκης, όντας σε απροσδιόριστη κατάσταση.

Η Αλίκη λέει στον Μπομπ τηλεφωνικά ποια ήταν η μέτρησή της. Αν το αποτέλεσμά του, ας πούμε, αποδείχθηκε ψ-, τότε ο Μπομπ ξέρει ότι το φωτόνιό του έχει μετατραπεί αυτόματα σε αυτή την κατάσταση. Εάν η Αλίκη ανέφερε ότι η μέτρησή της έδωσε το αποτέλεσμα ψ+, τότε το φωτόνιο του Μπομπ πήρε την πόλωση -α. Στο τέλος του πειράματος τηλεμεταφοράς, ο Μπομπ έχει ένα αντίγραφο του αρχικού φωτονίου της Αλίκης και το φωτόνιό της και οι πληροφορίες σχετικά με αυτό καταστρέφονται στη διαδικασία.

τεχνολογία τηλεμεταφοράς

Τώρα είμαστε σε θέση να τηλεμεταφέρουμε την πόλωση των φωτονίων και ορισμένων καταστάσεων των ατόμων. Αλλά όταν γράφουν, λένε, οι επιστήμονες έχουν μάθει πώς να τηλεμεταφέρουν άτομα - αυτό είναι μια εξαπάτηση, γιατί τα άτομα έχουν πολλές κβαντικές καταστάσεις, ένα άπειρο σύνολο. Στην καλύτερη περίπτωση, καταλάβαμε πώς να τηλεμεταφέρουμε μερικά από αυτά.

Η αγαπημένη μου ερώτηση είναι πότε θα πραγματοποιηθεί η ανθρώπινη τηλεμεταφορά; Η απάντηση δεν είναι ποτέ. Ας πούμε ότι έχουμε τον Captain Picard από τη σειρά Star Trek που πρέπει να τηλεμεταφερθεί στην επιφάνεια του πλανήτη από ένα πλοίο. Για να γίνει αυτό, όπως ήδη γνωρίζουμε, πρέπει να φτιάξουμε δύο ακόμη από τα ίδια Picards, να τα φέρουμε σε μια μπερδεμένη κατάσταση που να περιλαμβάνει όλες τις πιθανές του καταστάσεις (νηφάλιος, μεθυσμένος, ύπνος, κάπνισμα - απολύτως τα πάντα) και να κάνουμε μετρήσεις και τα δυο. Είναι σαφές πόσο δύσκολο και μη ρεαλιστικό είναι αυτό.

Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι ένα ενδιαφέρον αλλά εργαστηριακό φαινόμενο. Τα πράγματα δεν θα έρθουν στην τηλεμεταφορά των έμβιων όντων (τουλάχιστον στο εγγύς μέλλον). Ωστόσο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην πράξη για τη δημιουργία κβαντικών αναμεταδοτών για τη μετάδοση πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις.

Μια ομάδα επιστημόνων από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών διεξήγαγε ένα δορυφορικό πείραμα για τη μεταφορά κβαντικών καταστάσεων μεταξύ ζευγών εμπλεκόμενων φωτονίων (η λεγόμενη κβαντική τηλεμεταφορά) σε απόσταση ρεκόρ μεγαλύτερη από 1200 km.

Το φαινόμενο (ή εμπλοκή) προκύπτει όταν οι καταστάσεις δύο ή περισσότερων σωματιδίων αλληλοεξαρτώνται (συσχετίζονται), τα οποία μπορούν να διαχωριστούν σε αυθαίρετα μεγάλες αποστάσεις, αλλά ταυτόχρονα συνεχίζουν να «αισθάνονται» το ένα το άλλο. Η μέτρηση της παραμέτρου ενός σωματιδίου οδηγεί στη στιγμιαία καταστροφή της μπερδεμένης κατάστασης ενός άλλου, κάτι που είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς χωρίς να κατανοήσει τις αρχές της κβαντικής μηχανικής, ειδικά επειδή τα σωματίδια (ήταν παρουσιάζεται ειδικάσε πειράματα για την παραβίαση των λεγόμενων ανισοτήτων Bell) δεν έχουν κρυφές παραμέτρους που θα αποθηκεύουν πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του "συντρόφου" και ταυτόχρονα, μια στιγμιαία αλλαγή κατάστασης δεν οδηγεί σε παραβίαση της αρχής της αιτιότητας και δεν επιτρέπει τη μετάδοση χρήσιμων πληροφοριών με αυτόν τον τρόπο.

Για τη μετάδοση πραγματικών πληροφοριών, είναι επιπλέον απαραίτητη η συμμετοχή σωματιδίων που κινούνται με ταχύτητα που δεν υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός. Για παράδειγμα, τα φωτόνια που έχουν έναν κοινό πρόγονο μπορούν να λειτουργήσουν ως μπερδεμένα σωματίδια και, ας πούμε, το σπιν τους χρησιμοποιείται ως εξαρτημένη παράμετρος.

Η μεταφορά καταστάσεων μπερδεμένων σωματιδίων σε όλο και μεγαλύτερες αποστάσεις και κάτω από τις πιο ακραίες συνθήκες ενδιαφέρει όχι μόνο τους επιστήμονες που ασχολούνται με τη θεμελιώδη φυσική, αλλά και τους μηχανικούς που σχεδιάζουν ασφαλείς επικοινωνίες. Πιστεύεται ότι το φαινόμενο της εμπλοκής των σωματιδίων στο μέλλον θα μας παρέχει, κατ' αρχήν, μη παραβιάσιμα κανάλια επικοινωνίας. «Προστασία» σε αυτή την περίπτωση θα είναι η αναπόφευκτη ειδοποίηση των συμμετεχόντων στη συνομιλία ότι κάποιος άλλος παρενέβη στην επικοινωνία τους.

Απόδειξη αυτού θα είναι οι απαράβατοι νόμοι της φυσικής - η μη αναστρέψιμη κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης.

Πρωτότυπα συσκευών για την εφαρμογή τέτοιας ασφαλούς κβαντικής επικοινωνίας έχουν ήδη δημιουργηθεί, αλλά υπάρχουν επίσης ιδέες για να τεθεί σε κίνδυνο η λειτουργία όλων αυτών των «απόλυτα ασφαλών καναλιών», για παράδειγμα, με αναστρέψιμες ασθενείς κβαντικές μετρήσεις, επομένως δεν είναι ακόμη σαφές εάν η κβαντική κρυπτογραφία θα να μπορέσει να βγει από το στάδιο της δοκιμής πρωτοτύπων, όχι εάν όλες οι εξελίξεις θα είναι καταδικασμένες εκ των προτέρων και ακατάλληλες για πρακτική εφαρμογή.

Ένα άλλο σημείο: η μετάδοση εμπλεκόμενων καταστάσεων μέχρι στιγμής έχει πραγματοποιηθεί μόνο σε αποστάσεις που δεν υπερβαίνουν τα 100 km, λόγω απωλειών φωτονίων στην οπτική ίνα ή στον αέρα, καθώς η πιθανότητα τουλάχιστον μερικά από τα φωτόνια να φτάσουν στον ανιχνευτή γίνεται εξαφανιστικά μικρός. Κατά καιρούς υπάρχουν αναφορές για ένα άλλο επίτευγμα σε αυτό το μονοπάτι, αλλά δεν είναι ακόμη δυνατό να καλυφθεί ολόκληρη η υδρόγειος με μια τέτοια σύνδεση.

Έτσι, νωρίτερα αυτόν τον μήνα, Καναδοί φυσικοί ανακοίνωσαν επιτυχημένες προσπάθειες επικοινωνίας μέσω ενός ασφαλούς κβαντικού καναλιού με ένα αεροσκάφος, αλλά ήταν μόλις 3-10 χλμ. από τον πομπό.

Το λεγόμενο πρωτόκολλο κβαντικού επαναλήπτη αναγνωρίζεται ως ένας από τους τρόπους ριζικής βελτίωσης της διάδοσης του σήματος, αλλά η πρακτική του αξία παραμένει αμφισβητήσιμη λόγω της ανάγκης επίλυσης ορισμένων πολύπλοκων τεχνικών ζητημάτων.

Μια άλλη προσέγγιση είναι ακριβώς η χρήση δορυφορικής τεχνολογίας, καθώς ο δορυφόρος μπορεί να παραμείνει σε οπτική επαφή ταυτόχρονα για διαφορετικά πολύ μακρινά μέρη στη Γη. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης μπορεί να είναι ότι το μεγαλύτερο μέρος της διαδρομής των φωτονίων θα είναι σχεδόν στο κενό με σχεδόν μηδενική απορρόφηση και την εξάλειψη της αποσυνοχής (παραβίαση συνοχής λόγω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων με το περιβάλλον).

Για να αποδείξουν τη σκοπιμότητα των δορυφορικών πειραμάτων, Κινέζοι ειδικοί διεξήγαγαν προκαταρκτικές δοκιμές εδάφους που έδειξαν επιτυχημένη αμφίδρομη διάδοση μπερδεμένων ζευγών φωτονίων σε ανοιχτό περιβάλλον σε αποστάσεις 600 m, 13 km και 102 km με αποτελεσματική απώλεια καναλιού 80 dB. Πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα για τη μεταφορά κβαντικών καταστάσεων σε κινούμενες πλατφόρμες υπό συνθήκες υψηλών απωλειών και αναταράξεων.

Μετά από λεπτομερείς μελέτες σκοπιμότητας με τη συμμετοχή Αυστριακών επιστημόνων, αναπτύχθηκε ένας δορυφόρος 100 εκατομμυρίων δολαρίων, ο οποίος εκτοξεύτηκε στις 16 Αυγούστου 2016 από το κοσμοδρόμιο Jiuquan στην έρημο Gobi χρησιμοποιώντας το όχημα εκτόξευσης Long March-2D σε τροχιά με υψόμετρο 500 km.

Ο δορυφόρος ονομάστηκε «Mo-tzu» προς τιμήν του αρχαίου Κινέζου φιλοσόφου του 5ου αιώνα π.Χ., του ιδρυτή του Moism (το δόγμα της καθολικής αγάπης και του κρατικού συνεπακόλουθου). Για αρκετούς αιώνες στην Κίνα, ο Μοχισμός ανταγωνιζόταν επιτυχώς τον Κομφουκιανισμό, μέχρι που ο τελευταίος υιοθετήθηκε ως κρατική ιδεολογία.

Η αποστολή Mozi υποστηρίζεται από τρεις επίγειους σταθμούς: στο Delinghe (επαρχία Qinghai), Nanshan στο Urumqi (Xinjiang) και το Παρατηρητήριο GaoMeiGu (GMG) στο Lijiang (επαρχία Yunnan). Η απόσταση μεταξύ Delinghe και Lijiang είναι 1203 χιλιόμετρα. Η απόσταση μεταξύ του δορυφόρου σε τροχιά και αυτών των επίγειων σταθμών κυμαίνεται μεταξύ 500-2000 km.

Επειδή τα μπερδεμένα φωτόνια δεν μπορούν απλώς να «ενισχύονται» όπως τα κλασικά σήματα, έπρεπε να αναπτυχθούν νέες μέθοδοι για τη μείωση της εξασθένησης στα κανάλια μετάδοσης μεταξύ της Γης και των δορυφόρων. Για να επιτευχθεί η απαιτούμενη απόδοση σύζευξης, ήταν απαραίτητο να επιτευχθεί ταυτόχρονα η ελάχιστη απόκλιση δέσμης και η υψηλή ταχύτητα και η υψηλή ακρίβεια που δείχνει προς τους ανιχνευτές.

Έχοντας αναπτύξει μια εξαιρετικά φωτεινή κοσμική πηγή εμπλοκής δύο φωτονίων και τεχνολογία APT υψηλής ακρίβειας (απόκτηση, κατάδειξη και παρακολούθηση), η ομάδα δημιούργησε μια «κβαντική σύζευξη» μεταξύ ζευγών φωτονίων που απέχουν 1203 χιλιόμετρα, οι επιστήμονες διεξήγαγαν την κάλεσε τη δοκιμή Bell για να ελέγξει για παραβιάσεις της τοπικότητας (την ικανότητα να επηρεάζει άμεσα την κατάσταση ενός απομακρυσμένου σωματιδίου) και έλαβε ένα αποτέλεσμα με στατιστική σημασία τεσσάρων σίγμα (τυπικές αποκλίσεις).

Σχέδιο της πηγής φωτονίων στον δορυφόρο. Το πάχος του κρυστάλλου KTiOPO4 (PPKTP) είναι 15 mm. Ένα ζευγάρι κοίλων κατόπτρων εκτός άξονα εστιάζει το λέιζερ αντλίας (PL) στο κέντρο του κρυστάλλου PPKTP. Η έξοδος του συμβολόμετρου Sagnac χρησιμοποιεί δύο διχρωματικά κάτοπτρα (DM) και φίλτρα για να διαχωρίσει τα φωτόνια σήματος από το λέιζερ αντλίας. Δύο πρόσθετοι καθρέφτες (PI) που ελέγχονται εξ αποστάσεως από το έδαφος χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση της κατεύθυνσης της δέσμης για βέλτιστη απόδοση συλλογής δέσμης. QWP - τμήμα φάσης τετάρτου κύματος. HWP - τμήμα φάσης μισού κύματος. PBS - πολωτικός διαχωριστής δέσμης.

Σε σύγκριση με προηγούμενες μεθόδους που χρησιμοποιούν τα πιο κοινά εμπορικά δείγματα τηλεπικοινωνιακών ινών, η απόδοση μιας δορυφορικής σύνδεσης αποδείχθηκε ότι ήταν πολλές τάξεις μεγέθους υψηλότερη, γεγονός που, σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης, ανοίγει το δρόμο για πρακτικές εφαρμογές που προηγουμένως δεν ήταν διαθέσιμες στη Γη .

κβαντική τηλεμεταφορά- αυτή δεν είναι τηλεμεταφορά φυσικών αντικειμένων, όχι ενέργειας, αλλά κατάστασης. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, τα κράτη μεταφέρονται με τρόπο που είναι αδύνατο να γίνει στην κλασική άποψη. Κατά κανόνα, απαιτείται ένας μεγάλος αριθμός ολοκληρωμένων μετρήσεων για τη μετάδοση πληροφοριών σχετικά με ένα αντικείμενο. Αλλά καταστρέφουν την κβαντική κατάσταση και δεν έχουμε τρόπο να την ξαναμετρήσουμε. Η κβαντική τηλεμεταφορά χρησιμοποιείται για να μεταφέρει, να μεταφέρει μια συγκεκριμένη κατάσταση, έχοντας ελάχιστες πληροφορίες για αυτήν, χωρίς να την «κοιτάξει», χωρίς να τη μετρήσει και άρα χωρίς να την παραβιάσει.

qubits

Ένα qubit είναι η κατάσταση που μεταδίδεται κατά τη διάρκεια της κβαντικής τηλεμεταφοράς. Ένα κβαντικό bit βρίσκεται σε υπέρθεση δύο καταστάσεων. Η κλασική κατάσταση είναι, για παράδειγμα, είτε στην κατάσταση 0 είτε στην κατάσταση 1. Η κβαντική κατάσταση βρίσκεται σε υπέρθεση και, αυτό που είναι πολύ σημαντικό, μέχρι να τη μετρήσουμε, δεν θα προσδιοριστεί. Ας φανταστούμε ότι είχαμε ένα qubit στο 30% - 0 και στο 70% - 1. Αν το μετρήσουμε, μπορούμε να πάρουμε και το 0 και το 1. Δεν μπορεί να ειπωθεί τίποτα για μία μέτρηση. Αλλά αν ετοιμάσουμε 100.1000 τέτοιες ίδιες καταστάσεις και τις μετρήσουμε ξανά και ξανά, μπορούμε να χαρακτηρίσουμε με ακρίβεια αυτή την κατάσταση και να καταλάβουμε ότι ήταν πραγματικά 30% - 0 και 70% - 1.

Αυτό είναι ένα παράδειγμα απόκτησης πληροφοριών με τον κλασικό τρόπο. Έχοντας λάβει μεγάλο όγκο δεδομένων, ο παραλήπτης μπορεί να αναδημιουργήσει αυτήν την κατάσταση. Ωστόσο, η κβαντομηχανική μας επιτρέπει να μην προετοιμάζουμε πολλές καταστάσεις. Φανταστείτε ότι έχουμε μόνο ένα, μοναδικό, και δεν υπάρχει άλλο σαν αυτό. Τότε στα κλασικά δεν θα είναι πλέον δυνατό να το μεταφέρουμε. Φυσικά, άμεσα, αυτό δεν είναι επίσης πάντα δυνατό. Και στην κβαντομηχανική, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το φαινόμενο της εμπλοκής.

Χρησιμοποιούμε επίσης το φαινόμενο της κβαντικής μη τοπικότητας, δηλαδή ένα φαινόμενο που είναι αδύνατο στον οικείο σε εμάς κόσμο, για να εξαφανιστεί αυτή η κατάσταση εδώ και να εμφανιστεί εκεί. Επιπλέον, το πιο ενδιαφέρον είναι ότι σε σχέση με τα ίδια κβαντικά αντικείμενα υπάρχει ένα θεώρημα μη κλωνοποίησης. Δηλαδή, είναι αδύνατο να δημιουργηθεί μια δεύτερη πανομοιότυπη κατάσταση. Το ένα πρέπει να καταστραφεί για να εμφανιστεί το άλλο.

κβαντική εμπλοκή

Τι είναι το φαινόμενο διαπλοκής; Πρόκειται για δύο καταστάσεις προετοιμασμένες με ειδικό τρόπο, δύο κβαντικά αντικείμενα - qubits. Για απλότητα, μπορούμε να πάρουμε φωτόνια. Εάν αυτά τα φωτόνια χωρίζονται από μεγάλη απόσταση, θα συσχετίζονται μεταξύ τους. Τι σημαίνει? Φανταστείτε ότι έχουμε το ένα φωτόνιο μπλε και το άλλο πράσινο. Αν τα σπάγαμε, κοιτάξαμε και αποδείχθηκα μπλε, τότε αποδείχτηκες πράσινος και το αντίστροφο. Ή αν πάρετε ένα κουτί με παπούτσια, όπου υπάρχει ένα δεξί και αριστερό παπούτσι, τραβήξτε τα ήσυχα και πάρτε το ένα παπούτσι σε εσάς σε μια τσάντα, το άλλο σε εμένα. Άνοιξα λοιπόν την τσάντα, κοιτάζω: έχω τη σωστή. Άρα είσαι σίγουρα αριστερά.

Η κβαντική περίπτωση είναι διαφορετική στο ότι η κατάσταση που μου ήρθε πριν από τη μέτρηση δεν είναι ούτε μπλε ούτε πράσινη - είναι σε μια υπέρθεση μπλε και πράσινου. Αφού έχετε χωρίσει τα παπούτσια, το αποτέλεσμα είναι ήδη προκαθορισμένο. Όσο μεταφέρονται οι τσάντες, δεν έχουν ακόμη ανοιχτεί, αλλά είναι ήδη ξεκάθαρο τι θα υπάρχει. Και ενώ τα κβαντικά αντικείμενα δεν μετρώνται, τίποτα δεν έχει αποφασιστεί ακόμα.

Εάν πάρουμε όχι το χρώμα, αλλά την πόλωση, δηλαδή την κατεύθυνση των ταλαντώσεων του ηλεκτρικού πεδίου, μπορούν να διακριθούν δύο επιλογές: κάθετη και οριζόντια πόλωση και +45 ° - -45 °. Εάν προσθέσετε μαζί την οριζόντια και την κατακόρυφη σε ίση αναλογία, θα λάβετε +45 °, αν αφαιρέσετε τη μία από την άλλη, τότε -45 °. Τώρα ας φανταστούμε ότι με τον ίδιο τρόπο ένα φωτόνιο χτύπησε εμένα και το άλλο χτύπησε εσάς. Κοίταξα: είναι κάθετο. Άρα είσαι οριζόντια. Τώρα ας φανταστούμε ότι είδα μια κατακόρυφη, και την κοιτάξατε σε διαγώνια βάση, δηλαδή κοιτάξατε αν είναι +45 ° ή -45 °, θα δείτε με ίση πιθανότητα ένα άλλο αποτέλεσμα. Αλλά αν κοίταξα στη διαγώνια βάση και είδα +45°, τότε ξέρω σίγουρα ότι έχετε -45°.

Παράδοξο Αϊνστάιν-Ποντόλσκι-Ρόζεν

Η κβαντική εμπλοκή συνδέεται με τις θεμελιώδεις ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής και το λεγόμενο παράδοξο Einstein-Podolsky-Rosen. Ο Αϊνστάιν διαμαρτυρόταν ενάντια στην κβαντομηχανική για τόσο καιρό επειδή πίστευε ότι η φύση δεν μπορούσε να μεταδώσει πληροφορίες για μια κατάσταση με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. Μπορούμε να διαδώσουμε τα φωτόνια πολύ μακριά, για παράδειγμα, ένα έτος φωτός, και να τα ανοίξουμε ταυτόχρονα. Και θα βλέπουμε ακόμα αυτόν τον συσχετισμό.

Αλλά στην πραγματικότητα, αυτό δεν παραβιάζει τη θεωρία της σχετικότητας, επειδή δεν μπορούμε ακόμα να μεταδώσουμε πληροφορίες χρησιμοποιώντας αυτό το φαινόμενο. Μετράται είτε κατακόρυφο είτε οριζόντιο φωτόνιο. Αλλά δεν είναι γνωστό εκ των προτέρων τι θα είναι. Παρά το γεγονός ότι είναι αδύνατο να μεταφερθούν πληροφορίες ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, η εμπλοκή επιτρέπει την υλοποίηση του πρωτοκόλλου της κβαντικής τηλεμεταφοράς. Τι είναι αυτό? Γεννιέται ένα μπερδεμένο ζεύγος φωτονίων. Το ένα πηγαίνει στον πομπό, το άλλο - στον δέκτη. Ο πομπός μετρά από κοινού το φωτόνιο στόχο που πρόκειται να μεταδώσει. Και με πιθανότητα ¼ θα έχει ένα εντάξει αποτέλεσμα. Μπορεί να το αναφέρει αυτό στον δέκτη και ο δέκτης εκείνη τη στιγμή θα ξέρει ότι έχει ακριβώς την ίδια κατάσταση με τον πομπό. Και με πιθανότητα ¾, παίρνει ένα διαφορετικό αποτέλεσμα - όχι ακριβώς μια ανεπιτυχή μέτρηση, αλλά απλώς ένα διαφορετικό αποτέλεσμα. Αλλά σε κάθε περίπτωση, πρόκειται για χρήσιμες πληροφορίες που μπορούν να μεταφερθούν στον παραλήπτη. Ο δέκτης στις τρεις στις τέσσερις περιπτώσεις πρέπει να κάνει μια επιπλέον περιστροφή του qubit του για να λάβει την κατάσταση μετάδοσης. Δηλαδή, μεταδίδονται 2 bit πληροφοριών και με τη βοήθεια αυτών μπορείτε να τηλεμεταφέρετε μια σύνθετη κατάσταση που δεν μπορεί να κωδικοποιηθεί από αυτά.

κβαντική κρυπτογραφία

Μία από τις κύριες εφαρμογές της κβαντικής τηλεμεταφοράς είναι η λεγόμενη κβαντική κρυπτογραφία. Η ιδέα πίσω από αυτή την τεχνολογία είναι ότι ένα μόνο φωτόνιο δεν μπορεί να κλωνοποιηθεί. Επομένως, μπορούμε να μεταδώσουμε πληροφορίες σε αυτό το μεμονωμένο φωτόνιο και κανείς δεν μπορεί να τις αντιγράψει. Επιπλέον, με οποιαδήποτε προσπάθεια από κάποιον να μάθει κάτι για αυτές τις πληροφορίες, η κατάσταση του φωτονίου θα αλλάξει ή θα καταρρεύσει. Αντίστοιχα, θα γίνει αντιληπτή οποιαδήποτε προσπάθεια απόκτησης αυτών των πληροφοριών από εξωτερικό πρόσωπο. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην κρυπτογραφία, στην ασφάλεια πληροφοριών. Είναι αλήθεια ότι δεν μεταδίδονται χρήσιμες πληροφορίες, αλλά ένα κλειδί, το οποίο στη συνέχεια κλασικά καθιστά δυνατή τη μετάδοση πληροφοριών απολύτως αξιόπιστα.

Αυτή η τεχνολογία έχει ένα μεγάλο μειονέκτημα. Το γεγονός είναι ότι, όπως είπαμε νωρίτερα, είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ένα αντίγραφο ενός φωτονίου. Ένα κανονικό σήμα οπτικής ίνας μπορεί να ενισχυθεί. Για την κβαντική περίπτωση, είναι αδύνατο να ενισχυθεί το σήμα, αφού η ενίσχυση θα είναι ισοδύναμη με κάποιο αναχαιτιστή. Στην πραγματική ζωή, στις πραγματικές γραμμές, η μετάδοση περιορίζεται σε απόσταση περίπου 100 χιλιομέτρων. Το 2016, το Ρωσικό Quantum Center πραγματοποίησε μια επίδειξη στις γραμμές της Gazprombank, όπου έδειξε κβαντική κρυπτογραφία σε 30 χιλιόμετρα ίνας σε αστικό περιβάλλον.

Στο εργαστήριο, είμαστε σε θέση να δείξουμε κβαντική τηλεμεταφορά σε απόσταση έως και 327 χιλιομέτρων. Όμως, δυστυχώς, οι μεγάλες αποστάσεις δεν είναι πρακτικές, επειδή τα φωτόνια χάνονται στην ίνα και η ταχύτητα είναι πολύ χαμηλή. Τι να κάνω? Μπορείτε να βάλετε έναν ενδιάμεσο διακομιστή που θα λαμβάνει πληροφορίες, θα τις αποκρυπτογραφεί, στη συνέχεια θα τις κρυπτογραφεί ξανά και θα μεταδίδει περαιτέρω. Αυτό κάνουν οι Κινέζοι, για παράδειγμα, όταν χτίζουν το δίκτυο κβαντικής κρυπτογραφίας τους. Την ίδια προσέγγιση χρησιμοποιούν και οι Αμερικανοί.

Η κβαντική τηλεμεταφορά σε αυτή την περίπτωση είναι μια νέα μέθοδος που επιτρέπει την επίλυση του προβλήματος της κβαντικής κρυπτογραφίας και την αύξηση της απόστασης σε χιλιάδες χιλιόμετρα. Και σε αυτή την περίπτωση, το ίδιο φωτόνιο που εκπέμπεται τηλεμεταφέρεται επανειλημμένα. Πολλές ομάδες σε όλο τον κόσμο εργάζονται για αυτό το έργο.

κβαντική μνήμη

Φανταστείτε μια αλυσίδα τηλεμεταφορών. Κάθε ένας από τους συνδέσμους έχει μια γεννήτρια μπερδεμένων ζευγών, τα οποία πρέπει να τα δημιουργούν και να τα διανέμουν. Αυτό δεν βγαίνει πάντα καλά. Μερικές φορές χρειάζεται να περιμένετε μέχρι να πραγματοποιηθεί με επιτυχία η επόμενη προσπάθεια διανομής ζευγών. Και το qubit πρέπει να έχει κάποιο μέρος όπου θα περιμένει την τηλεμεταφορά. Αυτή είναι η κβαντική μνήμη.

Στην κβαντική κρυπτογραφία, αυτό είναι ένα είδος ενδιάμεσου σταθμού. Τέτοιοι σταθμοί ονομάζονται κβαντικοί επαναλήπτες και αποτελούν πλέον έναν από τους κύριους τομείς έρευνας και πειραματισμού. Αυτό είναι ένα δημοφιλές θέμα, στις αρχές της δεκαετίας του 2010, οι επαναλήπτες ήταν μια πολύ μακρινή προοπτική, αλλά τώρα η εργασία φαίνεται εφικτή. Κυρίως επειδή η τεχνολογία εξελίσσεται συνεχώς, μεταξύ άλλων μέσω των τηλεπικοινωνιακών προτύπων.

Η πορεία του πειράματος στο εργαστήριο

Αν πάτε στο Quantum Communications Lab, θα δείτε πολλά ηλεκτρονικά και οπτικές ίνες. Όλα τα οπτικά είναι στάνταρ, τα τηλεπικοινωνιακά, τα λέιζερ είναι σε μικρά τυπικά κουτιά - τσιπ. Αν μπεις στο εργαστήριο Αλεξάντερ Λβόφσκι, όπου, συγκεκριμένα, κάνουν τηλεμεταφορά, τότε θα δείτε ένα οπτικό τραπέζι, το οποίο σταθεροποιείται σε πνευματικά στηρίγματα. Δηλαδή, αν αγγίξετε αυτό το τραπέζι, που ζυγίζει έναν τόνο, με το δάχτυλό σας, θα αρχίσει να επιπλέει, να κουνιέται. Αυτό γίνεται επειδή η τεχνική που υλοποιεί κβαντικά πρωτόκολλα είναι πολύ ευαίσθητη. Εάν φορέσετε σκληρά πόδια και περπατήσετε, τότε όλα θα είναι στις δονήσεις του τραπεζιού. Δηλαδή, αυτά είναι ανοιχτά οπτικά, μάλλον μεγάλα ακριβά λέιζερ. Σε γενικές γραμμές, αυτός είναι ένας μάλλον ογκώδης εξοπλισμός.

Η αρχική κατάσταση προετοιμάζεται από το λέιζερ. Για την παρασκευή εμπλεκόμενων καταστάσεων, χρησιμοποιείται ένας μη γραμμικός κρύσταλλος, ο οποίος αντλείται με παλμικό ή cw laser. Ζεύγη φωτονίων παράγονται λόγω μη γραμμικών φαινομένων. Φανταστείτε ότι έχουμε ένα φωτόνιο ενέργειας δύο - ℏ(2ω), αυτό μετατρέπεται σε δύο φωτόνια ενέργειας ένα - ℏω + ℏω. Αυτά τα φωτόνια γεννιούνται μόνο μαζί, ένα φωτόνιο δεν μπορεί να διαχωριστεί πρώτα και μετά ένα άλλο. Και συνδέονται (μπλέκονται) και εμφανίζουν μη κλασικούς συσχετισμούς.

Ιστορία και τρέχουσα έρευνα

Έτσι, στην περίπτωση της κβαντικής τηλεμεταφοράς, παρατηρείται ένα φαινόμενο που δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε στην καθημερινή ζωή. Αλλά από την άλλη, υπήρχε μια πολύ όμορφη, φανταστική εικόνα, που ήταν η πιο κατάλληλη για να περιγράψει αυτό το φαινόμενο, γι' αυτό και το ονόμασαν έτσι - κβαντική τηλεμεταφορά. Όπως ήδη αναφέρθηκε, δεν υπάρχει χρονική στιγμή που ένα qubit εξακολουθεί να υπάρχει εδώ, αλλά έχει ήδη εμφανιστεί εκεί. Δηλαδή, πρώτα καταστρέφεται εδώ, και μόνο μετά εμφανίζεται εκεί. Αυτή είναι η ίδια τηλεμεταφορά.

Η κβαντική τηλεμεταφορά προτάθηκε θεωρητικά το 1993 από μια ομάδα Αμερικανών επιστημόνων με επικεφαλής τον Τσαρλς Μπένετ - τότε εμφανίστηκε αυτός ο όρος. Η πρώτη πειραματική εφαρμογή πραγματοποιήθηκε το 1997 από δύο ομάδες φυσικών ταυτόχρονα στο Ίνσμπρουκ και τη Ρώμη. Σταδιακά, οι επιστήμονες κατάφεραν να μεταδίδουν καταστάσεις σε μια αυξανόμενη απόσταση - από ένα μέτρο έως εκατοντάδες χιλιόμετρα ή περισσότερα.

Τώρα οι άνθρωποι προσπαθούν να κάνουν πειράματα που, ίσως στο μέλλον, θα γίνουν η βάση για κβαντικούς επαναλήπτες. Αναμένεται ότι μετά από 5-10 χρόνια θα δούμε πραγματικούς κβαντικούς επαναλήπτες. Η κατεύθυνση της μεταφοράς κατάστασης μεταξύ αντικειμένων διαφορετικής φύσης αναπτύσσεται επίσης, συμπεριλαμβανομένου του Μαΐου 2016 μια υβριδική κβαντική τηλεμεταφορά πραγματοποιήθηκε στο Quantum Center, στο εργαστήριο του Alexander Lvovsky. Η θεωρία επίσης δεν στέκεται ακίνητη. Στο ίδιο Quantum Center, υπό την ηγεσία του Alexei Fedorov, αναπτύσσεται ένα πρωτόκολλο τηλεμεταφοράς όχι προς μία κατεύθυνση, αλλά αμφίδρομη, προκειμένου να τηλεμεταφέρονται καταστάσεις ταυτόχρονα μεταξύ τους με τη βοήθεια ενός ζεύγους.

Ως μέρος της εργασίας μας για την κβαντική κρυπτογραφία, δημιουργούμε μια κβαντική διανομή και συσκευή κλειδιού, δηλαδή δημιουργούμε ένα κλειδί που δεν μπορεί να υποκλαπεί. Και στη συνέχεια ο χρήστης μπορεί να κρυπτογραφήσει πληροφορίες με αυτό το κλειδί χρησιμοποιώντας το λεγόμενο pad one-time. Νέα πλεονεκτήματα των κβαντικών τεχνολογιών θα πρέπει να αποκαλυφθούν την επόμενη δεκαετία. Αναπτύσσεται η δημιουργία κβαντικών αισθητήρων. Η ουσία τους είναι ότι λόγω των κβαντικών επιδράσεων, μπορούμε να μετρήσουμε, για παράδειγμα, ένα μαγνητικό πεδίο, τη θερμοκρασία με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια. Δηλαδή, λαμβάνονται τα λεγόμενα κέντρα NV στα διαμάντια - αυτά είναι μικροσκοπικά διαμάντια, έχουν ελαττώματα αζώτου που συμπεριφέρονται σαν κβαντικά αντικείμενα. Μοιάζουν πολύ με ένα παγωμένο μεμονωμένο άτομο. Κοιτάζοντας αυτό το ελάττωμα, μπορεί κανείς να παρατηρήσει αλλαγές στη θερμοκρασία, και μέσα σε ένα μόνο κελί. Δηλαδή, να μετράμε όχι μόνο τη θερμοκρασία κάτω από τον βραχίονα, αλλά τη θερμοκρασία του οργανιδίου μέσα στο κύτταρο.

Το Ρωσικό Κβαντικό Κέντρο έχει επίσης ένα έργο διόδου περιστροφής. Η ιδέα είναι ότι μπορούμε να πάρουμε μια κεραία και να αρχίσουμε να συλλέγουμε ενέργεια πολύ αποτελεσματικά από τα ραδιοκύματα παρασκηνίου. Αρκεί να θυμάστε πόσες πηγές Wi-Fi υπάρχουν τώρα στις πόλεις για να καταλάβετε ότι υπάρχει πολλή ενέργεια ραδιοκυμάτων τριγύρω. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για φορητούς αισθητήρες (για παράδειγμα, για αισθητήρα επιπέδου σακχάρου στο αίμα). Χρειάζονται συνεχή παροχή ενέργειας: είτε μια μπαταρία είτε ένα σύστημα που συλλέγει ενέργεια, μεταξύ άλλων από ένα κινητό τηλέφωνο. Δηλαδή, αφενός αυτά τα προβλήματα μπορούν να λυθούν με την υπάρχουσα βάση στοιχείων με συγκεκριμένη ποιότητα και αφετέρου μπορούν να εφαρμοστούν κβαντικές τεχνολογίες και αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί ακόμα καλύτερα, ακόμη πιο μικρογραφία.

Η κβαντομηχανική έχει αλλάξει πολύ την ανθρώπινη ζωή. Ημιαγωγοί, η ατομική βόμβα, η πυρηνική ενέργεια - όλα αυτά είναι αντικείμενα που λειτουργούν χάρη σε αυτήν. Ολόκληρος ο κόσμος αγωνίζεται τώρα να αρχίσει να ελέγχει τις κβαντικές ιδιότητες μεμονωμένων σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των εμπλεκόμενων. Για παράδειγμα, τρία σωματίδια συμμετέχουν στην τηλεμεταφορά: ένα ζεύγος και ο στόχος. Αλλά το καθένα από αυτά ελέγχεται ξεχωριστά. Ο ατομικός έλεγχος των στοιχειωδών σωματιδίων ανοίγει νέους ορίζοντες για την τεχνολογία, συμπεριλαμβανομένου του κβαντικού υπολογιστή.

Γιούρι Κουρότσκιν, Υποψήφιος Φυσικομαθηματικών Επιστημών, Υπεύθυνος του Εργαστηρίου Κβαντικών Επικοινωνιών του Ρωσικού Κβαντικού Κέντρου.

Ετικέτες:

Προσθέστε ετικέτες

Στην ιστοσελίδα του περιοδικού Nature, στις 9 Αυγούστου, εμφανίστηκαν Κινέζοι επιστήμονες που κατάφεραν να πραγματοποιήσουν κβαντική τηλεμεταφορά σε απόσταση περίπου 97 χιλιομέτρων. Αυτό είναι ένα νέο ρεκόρ, αν και το arXiv.org βρίσκεται στο arXiv.org από τις 17 Μαΐου για μια άλλη ομάδα που δεν έχει ακόμη δημοσιευτεί πουθενά, η οποία αναφέρει επιτυχημένα πειράματα τηλεμεταφοράς σε απόσταση περίπου 143 χιλιομέτρων.

Παρά το γεγονός ότι το φαινόμενο της κβαντικής τηλεμεταφοράς έχει μελετηθεί για αρκετό καιρό, οι άνθρωποι που απέχουν πολύ από την επιστήμη δεν καταλαβαίνουν τι είναι. Θα προσπαθήσω να καταρρίψω μερικούς από τους μύθους που σχετίζονται με αυτό το κομμάτι της επιστήμης.

Μύθος 1: Η κβαντική τηλεμεταφορά θεωρητικά σας επιτρέπει να τηλεμεταφέρετε οποιοδήποτε αντικείμενο.

Στην πραγματικότητα, κατά τη διάρκεια της κβαντικής τηλεμεταφοράς, δεν μεταδίδονται φυσικά αντικείμενα, αλλά κάποιες πληροφορίες που καταγράφονται χρησιμοποιώντας τις κβαντικές καταστάσεις των αντικειμένων. Συνήθως αυτή η κατάσταση είναι η πόλωση των φωτονίων. Όπως είναι γνωστό, ένα φωτόνιο μπορεί να έχει δύο διαφορετικές πολώσεις: για παράδειγμα, οριζόντια και κάθετη. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φορείς πληροφοριών bit: ας πούμε, το 0 θα αντιστοιχεί στην οριζόντια πόλωση και το 1 στην κατακόρυφη. Τότε η μεταφορά της κατάστασης ενός φωτονίου σε άλλο θα εξασφαλίσει τη μεταφορά πληροφοριών.

Στην περίπτωση της κβαντικής τηλεμεταφοράς, η μεταφορά δεδομένων γίνεται ως εξής. Αρχικά, δημιουργείται ένα ζεύγος λεγόμενων εμπλεκόμενων φωτονίων. Αυτό σημαίνει ότι οι καταστάσεις τους αποδεικνύονται συνδεδεμένες με μια ορισμένη έννοια: εάν μια από αυτές αποδειχθεί ότι έχει οριζόντια πόλωση κατά τη μέτρηση, τότε η άλλη θα έχει πάντα κάθετη πόλωση και το αντίστροφο, και τα δύο συμβαίνουν με την ίδια πιθανότητα. Στη συνέχεια αυτά τα φωτόνια εξαπλώνονται: το ένα παραμένει στην πηγή του μηνύματος και το άλλο παρασύρεται από τον δέκτη του.

Όταν μια πηγή θέλει να μεταδώσει το μήνυμά της, συνδέει το φωτόνιό της με ένα άλλο φωτόνιο του οποίου η κατάσταση (δηλαδή η πόλωση) είναι επακριβώς γνωστή, και στη συνέχεια μετρά την πόλωση και των δύο φωτονίων της. Αυτή τη στιγμή, η κατάσταση του φωτονίου που βρίσκεται στον δέκτη αλλάζει επίσης με συνεπή τρόπο. Μετρώντας την πόλωσή του και μαθαίνοντας από άλλα κανάλια επικοινωνίας τα αποτελέσματα των μετρήσεων των φωτονίων πηγής, ο δέκτης μπορεί να προσδιορίσει ακριβώς ποιο bit πληροφοριών μεταδόθηκε.

Μύθος 2: Με τη βοήθεια της κβαντικής τηλεμεταφοράς, οι πληροφορίες μπορούν να μεταδοθούν με ταχύτητα που υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός.

Πράγματι, σύμφωνα με τις σύγχρονες ιδέες, η μεταφορά καταστάσεων μεταξύ μπερδεμένων φωτονίων συμβαίνει αμέσως, επομένως, μπορεί να υπάρχει η αίσθηση ότι οι πληροφορίες μεταδίδονται αμέσως. Αυτό, ωστόσο, δεν είναι έτσι, αφού παρόλο που η κατάσταση μεταδόθηκε, είναι δυνατή η ανάγνωση της, αποκρυπτογραφώντας το μήνυμα, μόνο μετά τη μετάδοση πρόσθετων πληροφοριών σχετικά με το ποιες είναι οι πολώσεις των δύο φωτονίων που βρίσκονται στην πηγή. Αυτή η πρόσθετη πληροφορία μεταδίδεται μέσω κλασικών καναλιών επικοινωνίας και ο ρυθμός μετάδοσής τους δεν μπορεί να υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός.

Μύθος 3: Αποδεικνύεται ότι η κβαντική τηλεμεταφορά δεν είναι καθόλου ενδιαφέρουσα.

Φυσικά, στην πράξη, αποδεικνύεται ότι η διαδικασία της κβαντικής τηλεμεταφοράς μπορεί να μην είναι τόσο συναρπαστική όσο φαίνεται από το όνομά της, αλλά μπορεί να έχει και σημαντικές πρακτικές εφαρμογές. Πρώτα απ 'όλα, είναι μια ασφαλής μεταφορά δεδομένων. Είναι πάντα δυνατό να υποκλαπεί ένα μήνυμα που αποστέλλεται μέσω κλασικών καναλιών επικοινωνίας, αλλά μόνο αυτός που έχει το δεύτερο συζευγμένο φωτόνιο μπορεί να το χρησιμοποιήσει. Όλοι οι άλλοι δεν θα μπορούν να διαβάσουν το μήνυμα. Δυστυχώς, η πραγματική χρήση αυτού του αποτελέσματος είναι ακόμα μακριά· σε αυτό το στάδιο, πραγματοποιούνται μόνο επιστημονικά πειράματα που απαιτούν αρκετά εξελιγμένο εξοπλισμό.

Εάν ενδιαφέρεστε για αυτό το θέμα, μπορεί επίσης να σας ενδιαφέρει να διαβάσετε για το τι

Ο καθηγητής της Σχολής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Κάλγκαρι (Καναδάς), μέλος του Καναδικού Ινστιτούτου Ανώτατων Σπουδών Alexander Lvovsky προσπάθησε να πει με απλά λόγια για τις αρχές της κβαντικής τηλεμεταφοράς και της κβαντικής κρυπτογραφίας.

Κλειδί για το κάστρο

Η κρυπτογραφία είναι η τέχνη της ασφαλούς επικοινωνίας μέσω ενός ανασφαλούς καναλιού. Δηλαδή, έχετε μια συγκεκριμένη γραμμή που μπορείτε να ακούσετε και πρέπει να στείλετε ένα μυστικό μήνυμα πάνω της που κανείς άλλος δεν μπορεί να διαβάσει.

Φανταστείτε ότι, ας πούμε, εάν η Αλίκη και ο Μπομπ έχουν ένα λεγόμενο μυστικό κλειδί, δηλαδή μια μυστική ακολουθία μηδενικών και μονάδων που κανείς άλλος δεν έχει, μπορούν να κρυπτογραφήσουν ένα μήνυμα χρησιμοποιώντας αυτό το κλειδί, εφαρμόζοντας τη λειτουργία XOR έτσι ώστε το μηδέν να ταιριάζει με μηδέν και ένα με ένα. Ένα τέτοιο κρυπτογραφημένο μήνυμα μπορεί ήδη να μεταδοθεί μέσω ανοιχτού καναλιού. Αν κάποιος το υποκλέψει, δεν πειράζει, γιατί κανείς δεν μπορεί να το διαβάσει, εκτός από τον Μπομπ, ο οποίος έχει ένα αντίγραφο του μυστικού κλειδιού.

Σε κάθε κρυπτογραφία, σε οποιαδήποτε επικοινωνία, ο πιο ακριβός πόρος είναι μια τυχαία ακολουθία μηδενικών και μονάδων, η οποία ανήκει μόνο σε δύο που επικοινωνούν. Αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις, χρησιμοποιείται κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού. Ας υποθέσουμε ότι αγοράζετε κάτι με μια πιστωτική κάρτα σε ένα ηλεκτρονικό κατάστημα χρησιμοποιώντας ένα ασφαλές πρωτόκολλο HTTPS. Σύμφωνα με αυτό, ο υπολογιστής σας συνομιλεί με κάποιον διακομιστή με τον οποίο δεν έχει επικοινωνήσει ποτέ πριν και δεν είχε την ευκαιρία να ανταλλάξει μυστικό κλειδί με αυτόν τον διακομιστή.

Το μυστήριο αυτού του διαλόγου παρέχεται με την επίλυση ενός πολύπλοκου μαθηματικού προβλήματος, ειδικότερα της αποσύνθεσης σε πρώτους παράγοντες. Είναι εύκολο να πολλαπλασιάσουμε δύο πρώτους αριθμούς, αλλά αν έχει ήδη δοθεί το καθήκον να βρούμε το γινόμενο τους, να βρούμε δύο παράγοντες, τότε είναι δύσκολο. Εάν ο αριθμός είναι αρκετά μεγάλος, θα απαιτηθούν πολλά χρόνια υπολογισμών από έναν συμβατικό υπολογιστή.

Ωστόσο, αν αυτός ο υπολογιστής δεν είναι συνηθισμένος, αλλά κβαντικός, θα λύσει εύκολα ένα τέτοιο πρόβλημα. Όταν τελικά εφευρεθεί, η ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος παραπάνω θα αχρηστευτεί, κάτι που αναμένεται να είναι καταστροφικό για την κοινωνία.

Αν θυμάστε, στο πρώτο βιβλίο του Χάρι Πότερ, ο πρωταγωνιστής έπρεπε να περάσει από την ασφάλεια για να φτάσει στη Φιλοσοφική Λίθο. Υπάρχει κάτι παρόμοιο εδώ: για όσους έχουν δημιουργήσει προστασία, θα είναι εύκολο να το περάσουν. Ήταν πολύ δύσκολο για τον Χάρι, αλλά τελικά το ξεπέρασε.

Αυτό το παράδειγμα απεικονίζει πολύ καλά την κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού. Όποιος δεν τον γνωρίζει είναι καταρχήν σε θέση να αποκρυπτογραφήσει τα μηνύματα, αλλά θα είναι πολύ δύσκολο γι 'αυτόν, και αυτό θα πάρει ενδεχομένως πολλά χρόνια. Η κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού δεν παρέχει απόλυτη ασφάλεια.

κβαντική κρυπτογραφία

Όλα αυτά εξηγούν την ανάγκη για κβαντική κρυπτογραφία. Μας δίνει το καλύτερο και των δύο κόσμων. Υπάρχει μια μέθοδος pad one-time, αξιόπιστη, αλλά, από την άλλη, απαιτεί ένα "ακριβό" μυστικό κλειδί. Για να επικοινωνήσει η Αλίκη με τον Μπομπ, πρέπει να του στείλει έναν κούριερ με μια βαλίτσα γεμάτη δίσκους που περιέχουν τέτοια κλειδιά. Σταδιακά θα τα καταναλώσει, αφού το καθένα από αυτά μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μία φορά. Από την άλλη, έχουμε τη μέθοδο δημόσιου κλειδιού, η οποία είναι «φθηνή» αλλά δεν παρέχει απόλυτη ασφάλεια.

Η κβαντική κρυπτογραφία, αφενός, είναι «φθηνή», επιτρέπει την ασφαλή μετάδοση ενός κλειδιού μέσω ενός καναλιού που μπορεί να εισαχθεί και, αφετέρου, εγγυάται το απόρρητο λόγω των θεμελιωδών νόμων της φυσικής. Το νόημά του είναι να κωδικοποιεί πληροφορίες στην κβαντική κατάσταση μεμονωμένων φωτονίων.

Σύμφωνα με τα αξιώματα της κβαντικής φυσικής, η κβαντική κατάσταση τη στιγμή που επιχειρείται να μετρηθεί καταστρέφεται και αλλάζει. Έτσι, εάν υπάρχει κάποιος κατάσκοπος στη γραμμή μεταξύ της Αλίκης και του Μπομπ που προσπαθεί να κρυφακούσει ή να κρυφοκοιτάξει, αναπόφευκτα θα αλλάξει την κατάσταση των φωτονίων, οι επικοινωνούντες θα παρατηρήσουν ότι η γραμμή χτυπιέται, θα σταματήσουν την επικοινωνία και θα αναλάβουν δράση.

Σε αντίθεση με πολλές άλλες κβαντικές τεχνολογίες, η κβαντική κρυπτογραφία είναι εμπορική και όχι επιστημονική φαντασία. Ήδη, υπάρχουν εταιρείες που παράγουν διακομιστές που συνδέονται με μια συμβατική γραμμή οπτικών ινών, μέσω των οποίων μπορείτε να επικοινωνείτε με ασφάλεια.

Πώς λειτουργεί ένας πολωτικός διαχωριστής δέσμης

Το φως είναι ένα εγκάρσιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα, που ταλαντώνεται όχι κατά μήκος, αλλά κατά μήκος. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται πόλωση και είναι παρούσα ακόμη και σε μεμονωμένα φωτόνια. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση πληροφοριών. Για παράδειγμα, ένα οριζόντιο φωτόνιο είναι μηδέν και ένα κατακόρυφο φωτόνιο είναι ένα (το ίδιο ισχύει για φωτόνια με πόλωση συν 45 μοίρες και μείον 45 μοίρες).

Η Αλίκη κωδικοποίησε τις πληροφορίες με αυτόν τον τρόπο και ο Μπομπ πρέπει να τις αποδεχτεί. Για αυτό, χρησιμοποιείται μια ειδική συσκευή - ένας πολωτικός διαχωριστής δέσμης, ένας κύβος που αποτελείται από δύο πρίσματα κολλημένα μεταξύ τους. Μεταδίδει ένα οριζόντια πολωμένο ρεύμα και αντανακλά ένα κατακόρυφα πολωμένο, λόγω του οποίου αποκωδικοποιείται η πληροφορία. Εάν το οριζόντιο φωτόνιο είναι μηδέν και το κατακόρυφο φωτόνιο είναι ένα, τότε ο ένας ανιχνευτής θα κάνει κλικ στην περίπτωση ενός λογικού μηδενός και ο άλλος στην περίπτωση ενός.

Τι γίνεται όμως αν στείλουμε ένα διαγώνιο φωτόνιο; Τότε αρχίζει να παίζει ρόλο το περίφημο κβαντικό ατύχημα. Είναι αδύνατο να πούμε αν ένα τέτοιο φωτόνιο θα περάσει ή θα ανακλαστεί - θα κάνει είτε το ένα είτε το άλλο με πιθανότητα 50 τοις εκατό. Η πρόβλεψη της συμπεριφοράς του είναι κατ' αρχήν αδύνατη. Επιπλέον, αυτή η ιδιότητα βασίζεται σε εμπορικές γεννήτριες τυχαίων αριθμών.

Τι να κάνουμε εάν έχουμε το καθήκον να διακρίνουμε τις πολώσεις συν 45 μοιρών και μείον 45 μοιρών; Είναι απαραίτητο να περιστρέψετε τον διαχωριστή δέσμης γύρω από τον άξονα της δέσμης. Τότε ο νόμος της κβαντικής τυχαιότητας θα λειτουργήσει για φωτόνια με οριζόντια και κάθετη πόλωση. Αυτή η ιδιότητα είναι θεμελιώδης. Δεν μπορούμε να ρωτήσουμε τι πόλωση έχει αυτό το φωτόνιο.

Αρχή της κβαντικής κρυπτογραφίας

Ποια είναι η ιδέα πίσω από την κβαντική κρυπτογραφία; Ας υποθέσουμε ότι η Αλίκη στέλνει ένα φωτόνιο στον Μπομπ, το οποίο κωδικοποιεί είτε οριζόντια-κάθετα είτε διαγώνια. Ο Μπομπ γυρίζει επίσης ένα νόμισμα, αποφασίζοντας τυχαία εάν η βάση του θα είναι οριζόντια-κάθετη ή διαγώνια. Εάν οι μέθοδοι κωδικοποίησής τους ταιριάζουν, ο Bob θα λάβει τα δεδομένα που έστειλε η Alice, αν όχι, τότε μερικές ανοησίες. Πραγματοποιούν αυτήν την επιχείρηση πολλές χιλιάδες φορές και στη συνέχεια «καλούν» σε ένα ανοιχτό κανάλι και λένε ο ένας στον άλλο σε ποιες βάσεις έκαναν τη μεταφορά - μπορούμε να υποθέσουμε ότι αυτές οι πληροφορίες είναι πλέον διαθέσιμες σε οποιονδήποτε. Στη συνέχεια, ο Bob και η Alice θα μπορούν να εξαλείψουν γεγονότα στα οποία οι βάσεις ήταν διαφορετικές και να αφήσουν εκείνα στα οποία ήταν ίδιες (θα υπάρχουν περίπου τα μισά από αυτά).

Ας υποθέσουμε ότι κάποιος κατάσκοπος έχει μπει στη γραμμή που θέλει να κρυφακούει μηνύματα, αλλά χρειάζεται επίσης να μετρήσει τις πληροφορίες σε κάποια βάση. Φανταστείτε ότι η Αλίκη και ο Μπομπ έχουν το ίδιο, αλλά ο κατάσκοπος όχι. Σε μια κατάσταση όπου τα δεδομένα στάλθηκαν σε οριζόντια-κάθετη βάση και ο υποκλοπής μέτρησε τη μετάδοση σε διαγώνιο, θα λάβει μια τυχαία τιμή και θα προωθήσει κάποιο αυθαίρετο φωτόνιο στον Bob, αφού δεν ξέρει τι πρέπει να είναι. Έτσι θα γίνει αντιληπτή η παρέμβασή του.

Το μεγαλύτερο πρόβλημα στην κβαντική κρυπτογραφία είναι η απώλεια. Ακόμη και η καλύτερη και πιο σύγχρονη ίνα δίνει 50 τοις εκατό απώλεια για κάθε 10-12 χιλιόμετρα καλωδίου. Ας υποθέσουμε ότι στέλνουμε το μυστικό μας κλειδί από τη Μόσχα στην Αγία Πετρούπολη - για 750 χιλιόμετρα, και μόνο ένα στα δισεκατομμύρια φωτόνια θα φτάσει στον στόχο. Όλα αυτά καθιστούν την τεχνολογία εντελώς μη πρακτική. Γι' αυτό η σύγχρονη κβαντική κρυπτογραφία λειτουργεί μόνο σε απόσταση περίπου 100 χιλιομέτρων. Θεωρητικά, είναι γνωστός τρόπος επίλυσης αυτού του προβλήματος - με τη βοήθεια κβαντικών αναμεταδοτών, αλλά η εφαρμογή τους απαιτεί κβαντική τηλεμεταφορά.

κβαντική εμπλοκή

Ο επιστημονικός ορισμός της κβαντικής εμπλοκής είναι μια μετατοπισμένη κατάσταση υπέρθεσης. Ακούγεται περίπλοκο, αλλά μπορεί να δοθεί ένα απλό παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο φωτόνια: οριζόντια και κάθετα, των οποίων οι κβαντικές καταστάσεις είναι αλληλεξαρτώμενες. Στέλνουμε ένα από αυτά στην Αλίκη και το άλλο στον Μπομπ, ο οποίος κάνει μετρήσεις σε ένα πολωτικό διαχωριστή δέσμης.

Όταν αυτές οι μετρήσεις γίνονται στη συνήθη οριζόντια-κάθετη βάση, είναι σαφές ότι το αποτέλεσμα θα συσχετιστεί. Εάν η Αλίκη παρατήρησε ένα οριζόντιο φωτόνιο, τότε το δεύτερο, φυσικά, θα είναι κατακόρυφο και το αντίστροφο. Αυτό μπορεί να το φανταστεί κανείς με πιο απλό τρόπο: έχουμε μια μπλε και μια κόκκινη μπάλα, σφραγίζουμε το καθένα από αυτά σε έναν φάκελο χωρίς να κοιτάξουμε και το στέλνουμε σε δύο παραλήπτες - αν ο ένας λάβει κόκκινο, ο δεύτερος θα λάβει σίγουρα μπλε.

Αλλά στην περίπτωση της κβαντικής εμπλοκής, το θέμα δεν περιορίζεται σε αυτό. Αυτή η συσχέτιση λαμβάνει χώρα όχι μόνο στην οριζόντια-κάθετη βάση, αλλά και σε οποιαδήποτε άλλη. Για παράδειγμα, εάν η Alice και ο Bob περιστρέψουν τους διαχωριστές δέσμης τους κατά 45 μοίρες ταυτόχρονα, θα έχουν και πάλι ένα τέλειο ταίριασμα.

Αυτό είναι ένα πολύ περίεργο κβαντικό φαινόμενο. Ας πούμε ότι η Αλίκη γύρισε με κάποιο τρόπο τον διαχωριστή δέσμης της και βρήκε κάποιο φωτόνιο με πόλωση α που πέρασε μέσα από αυτό. Εάν ο Bob μετρήσει το φωτόνιό του στην ίδια βάση, θα βρει πόλωση 90 μοιρών +α.

Έτσι, στην αρχή έχουμε μια κατάσταση εμπλοκής: το φωτόνιο της Αλίκης είναι εντελώς απροσδιόριστο και το φωτόνιο του Μπομπ είναι εντελώς απροσδιόριστο. Όταν η Αλίκη μέτρησε το φωτόνιό της, βρήκε κάποια τιμή, τώρα ξέρουμε ακριβώς ποιο φωτόνιο έχει ο Μπομπ, όσο μακριά κι αν είναι. Αυτό το αποτέλεσμα έχει επιβεβαιωθεί επανειλημμένα από πειράματα, αυτό δεν είναι φαντασία.

Ας υποθέσουμε ότι η Αλίκη έχει ένα ορισμένο φωτόνιο με πόλωση α, το οποίο δεν γνωρίζει ακόμη, δηλαδή σε άγνωστη κατάσταση. Δεν υπάρχει άμεσο κανάλι μεταξύ αυτής και του Μπομπ. Αν υπήρχε κανάλι, τότε η Αλίκη θα μπορούσε να καταχωρήσει την κατάσταση του φωτονίου και να μεταφέρει αυτές τις πληροφορίες στον Μπομπ. Αλλά είναι αδύνατο να γνωρίζουμε την κβαντική κατάσταση σε μία μέτρηση, επομένως αυτή η μέθοδος δεν είναι κατάλληλη. Ωστόσο, μεταξύ της Αλίκης και του Μπομπ υπάρχει ένα προπαρασκευασμένο ζεύγος φωτονίων. Εξαιτίας αυτού, είναι δυνατό να κάνουμε το φωτόνιο του Μπομπ να πάρει την αρχική κατάσταση του φωτονίου της Αλίκης, που "τηλεφώνησε" αργότερα σε μια τηλεφωνική γραμμή υπό όρους.

Εδώ είναι ένα κλασικό (αν και πολύ μακρινό ανάλογο) όλων αυτών. Η Αλίκη και ο Μπομπ λαμβάνουν ο καθένας ένα κόκκινο ή μπλε μπαλόνι σε έναν φάκελο. Η Αλίκη θέλει να στείλει στον Μπομπ πληροφορίες για το τι έχει. Για να το κάνει αυτό, χρειάζεται, έχοντας «τηλεφωνήσει» στον Μπομπ, να συγκρίνει τις μπάλες, λέγοντάς του «Έχω την ίδια» ή «Έχουμε διαφορετικές». Αν κάποιος κρυφακούει αυτή τη γραμμή, δεν θα τον βοηθήσει να αναγνωρίσει το χρώμα του.

Έτσι, υπάρχουν τέσσερις επιλογές για την έκβαση των γεγονότων (υπό όρους, οι παραλήπτες έχουν μπλε μπαλόνια, κόκκινα μπαλόνια, κόκκινο και μπλε ή μπλε και κόκκινο). Έχουν ενδιαφέρον γιατί αποτελούν βάση. Αν έχουμε δύο φωτόνια με άγνωστη πόλωση, τότε μπορούμε να τους «κάνουμε μια ερώτηση» σε ποια από αυτές τις καταστάσεις βρίσκονται και να πάρουμε μια απάντηση. Αλλά εάν τουλάχιστον ένα από αυτά είναι μπλεγμένο με κάποιο άλλο φωτόνιο, τότε θα συμβεί το αποτέλεσμα της απομακρυσμένης προετοιμασίας και το τρίτο, απομακρυσμένο φωτόνιο θα «προετοιμαστεί» σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Σε αυτό βασίζεται η κβαντική τηλεμεταφορά.

Πώς λειτουργούν όλα; Έχουμε μια μπλεγμένη κατάσταση και ένα φωτόνιο που θέλουμε να τηλεμεταφέρουμε. Η Αλίκη πρέπει να κάνει μια κατάλληλη μέτρηση του αρχικού τηλεμεταφερόμενου φωτονίου και να ρωτήσει σε ποια κατάσταση βρίσκεται το άλλο. Τυχαία, λαμβάνει μία από τις τέσσερις πιθανές απαντήσεις. Ως αποτέλεσμα του εφέ απομακρυσμένου μαγειρέματος, αποδεικνύεται ότι μετά από αυτή τη μέτρηση, ανάλογα με το αποτέλεσμα, το φωτόνιο του Μπομπ πήγε σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Πριν από αυτό, ήταν μπλεγμένος με το φωτόνιο της Αλίκης, όντας σε απροσδιόριστη κατάσταση.

Η Αλίκη λέει στον Μπομπ τηλεφωνικά ποια ήταν η μέτρησή της. Αν το αποτέλεσμά του, ας πούμε, αποδείχθηκε ψ-, τότε ο Μπομπ ξέρει ότι το φωτόνιό του έχει μετατραπεί αυτόματα σε αυτή την κατάσταση. Εάν η Αλίκη ανέφερε ότι η μέτρησή της έδωσε το αποτέλεσμα ψ+, τότε το φωτόνιο του Μπομπ πήρε την πόλωση -α. Στο τέλος του πειράματος τηλεμεταφοράς, ο Μπομπ έχει ένα αντίγραφο του αρχικού φωτονίου της Αλίκης και το φωτόνιό της και οι πληροφορίες σχετικά με αυτό καταστρέφονται στη διαδικασία.

τεχνολογία τηλεμεταφοράς

Τώρα είμαστε σε θέση να τηλεμεταφέρουμε την πόλωση των φωτονίων και ορισμένων καταστάσεων των ατόμων. Αλλά όταν γράφουν, λένε, οι επιστήμονες έχουν μάθει πώς να τηλεμεταφέρουν άτομα - αυτό είναι μια εξαπάτηση, γιατί τα άτομα έχουν πολλές κβαντικές καταστάσεις, ένα άπειρο σύνολο. Στην καλύτερη περίπτωση, καταλάβαμε πώς να τηλεμεταφέρουμε μερικά από αυτά.

Η αγαπημένη μου ερώτηση είναι πότε θα πραγματοποιηθεί η ανθρώπινη τηλεμεταφορά; Η απάντηση δεν είναι ποτέ. Ας πούμε ότι έχουμε τον Captain Picard από τη σειρά Star Trek που πρέπει να τηλεμεταφερθεί στην επιφάνεια του πλανήτη από ένα πλοίο. Για να γίνει αυτό, όπως ήδη γνωρίζουμε, πρέπει να φτιάξουμε δύο ακόμη από τα ίδια Picards, να τα φέρουμε σε μια μπερδεμένη κατάσταση που να περιλαμβάνει όλες τις πιθανές του καταστάσεις (νηφάλιος, μεθυσμένος, ύπνος, κάπνισμα - απολύτως τα πάντα) και να κάνουμε μετρήσεις και τα δυο. Είναι σαφές πόσο δύσκολο και μη ρεαλιστικό είναι αυτό.

Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι ένα ενδιαφέρον αλλά εργαστηριακό φαινόμενο. Τα πράγματα δεν θα έρθουν στην τηλεμεταφορά των έμβιων όντων (τουλάχιστον στο εγγύς μέλλον). Ωστόσο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην πράξη για τη δημιουργία κβαντικών αναμεταδοτών για τη μετάδοση πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις.