Teleportasi kuantum ialah pemindahan keadaan kuantum pada satu jarak. Sukar untuk menerangkannya secara berasingan, ia hanya boleh dilakukan bersama-sama dengan keseluruhan fizik kuantum. Dalam syarahannya yang diadakan sebagai sebahagian daripada Dewan Kuliah 2035 di VDNKh, Profesor Fakulti Fizik di Universiti Calgary (Kanada), ahli Institut Pengajian Tinggi Kanada Alexander Lvovsky cuba menjelaskan secara ringkas prinsip teleportasi kuantum dan kriptografi kuantum. Lenta.ru menerbitkan petikan ucapannya.

Kunci istana

Kriptografi ialah seni berkomunikasi dengan selamat melalui saluran yang tidak selamat. Iaitu, anda mempunyai baris tertentu yang boleh didengari, dan anda perlu menghantar mesej rahsia di atasnya yang tidak boleh dibaca oleh orang lain.

Bayangkan, katakan, jika Alice dan Bob mempunyai apa yang dipanggil kunci rahsia, iaitu, urutan rahsia sifar dan yang tidak dimiliki oleh orang lain, mereka boleh menyulitkan mesej menggunakan kunci ini, menggunakan operasi XOR supaya sifar sepadan dengan sifar, dan satu dengan satu. Mesej yang disulitkan sedemikian sudah boleh dihantar melalui saluran terbuka. Jika ada yang memintas, tidak mengapa, kerana tiada siapa yang boleh membacanya, kecuali Bob, yang mempunyai salinan kunci rahsia.

Dalam mana-mana kriptografi, dalam mana-mana komunikasi, sumber yang paling mahal ialah urutan rawak sifar dan satu, yang dimiliki oleh hanya dua orang yang berkomunikasi. Tetapi dalam kebanyakan kes, kriptografi kunci awam digunakan. Katakan anda membeli sesuatu dengan kad kredit daripada kedai dalam talian menggunakan HTTPS selamat. Menurutnya, komputer anda sedang bercakap dengan beberapa pelayan yang ia tidak pernah berkomunikasi sebelum ini, dan ia tidak mempunyai peluang untuk menukar kunci rahsia dengan pelayan ini.

Misteri dialog ini disediakan dengan menyelesaikan masalah matematik yang kompleks, khususnya, penguraian kepada faktor utama. Mendarab dua nombor perdana adalah mudah, tetapi jika hasil darabnya sudah diberikan, maka mencari dua faktor adalah sukar. Jika bilangannya cukup besar, ia memerlukan pengiraan bertahun-tahun daripada komputer konvensional.

Namun, jika komputer ini tidak biasa, tetapi kuantum, ia akan menyelesaikan masalah sebegini dengan mudah. Apabila ia akhirnya dicipta, kaedah yang digunakan secara meluas di atas akan menjadi sia-sia, yang dijangka membawa bencana kepada masyarakat.

Jika anda masih ingat, dalam buku Harry Potter yang pertama, protagonis terpaksa melalui keselamatan untuk sampai ke Batu Falsafah. Terdapat sesuatu yang serupa di sini: bagi mereka yang telah mewujudkan perlindungan, ia akan mudah untuk melepasinya. Ia sangat sukar untuk Harry, tetapi akhirnya dia masih dapat mengatasinya.

Contoh ini menggambarkan kriptografi kunci awam dengan baik. Sesiapa yang tidak mengenalinya pada dasarnya boleh menguraikan mesej, tetapi ia akan menjadi sangat sukar baginya, dan ini mungkin akan mengambil masa bertahun-tahun. Kriptografi kunci awam tidak menyediakan keselamatan mutlak.

kriptografi kuantum

Semua ini menjelaskan keperluan untuk kriptografi kuantum. Dia memberi kita yang terbaik dari kedua-dua dunia. Terdapat kaedah pad sekali sahaja, boleh dipercayai, tetapi, sebaliknya, memerlukan kunci rahsia "mahal". Untuk membolehkan Alice berkomunikasi dengan Bob, dia mesti menghantar kurier dengan beg pakaian yang penuh dengan cakera yang mengandungi kunci sedemikian. Dia akan memakannya secara beransur-ansur, kerana setiap satu daripadanya hanya boleh digunakan sekali. Sebaliknya, kami mempunyai kaedah kunci awam, yang "murah" tetapi tidak memberikan keselamatan mutlak.

Imej: Muzium Sains / Globallookpress.com

Kriptografi kuantum, dalam satu pihak, adalah "murah", ia membenarkan penghantaran kunci yang selamat melalui saluran yang boleh digodam, dan sebaliknya, ia menjamin kerahsiaan kerana undang-undang asas fizik. Maksudnya adalah untuk mengekod maklumat dalam keadaan kuantum foton individu.

Selaras dengan postulat fizik kuantum, keadaan kuantum pada masa ia cuba diukur akan musnah dan berubah. Oleh itu, jika terdapat beberapa pengintip di talian antara Alice dan Bob cuba mencuri dengar atau mengintip, dia pasti akan mengubah keadaan foton, penyampai akan menyedari bahawa talian sedang diketuk, menghentikan komunikasi dan mengambil tindakan.

Tidak seperti kebanyakan teknologi kuantum lain, kriptografi kuantum adalah komersial, bukan fiksyen sains. Sudah, terdapat syarikat yang menghasilkan pelayan yang disambungkan ke talian gentian optik konvensional, yang melaluinya anda boleh berkomunikasi dengan selamat.

Cara pembahagi rasuk polarisasi berfungsi

Cahaya ialah gelombang elektromagnet melintang, berayun bukan sepanjang, tetapi merentasi. Sifat ini dipanggil polarisasi, dan ia hadir walaupun dalam foton individu. Ia boleh digunakan untuk mengekod maklumat. Sebagai contoh, foton mendatar adalah sifar dan foton menegak adalah satu (sama juga berlaku untuk foton dengan polarisasi tambah 45 darjah dan tolak 45 darjah).

Alice mengekod maklumat dengan cara ini dan Bob perlu menerimanya. Untuk ini, peranti khas digunakan - pembahagi rasuk polarisasi, kubus yang terdiri daripada dua prisma yang dilekatkan bersama. Ia menghantar aliran terkutub mendatar dan mencerminkan aliran terkutub menegak, kerana maklumat itu dinyahkodkan. Jika foton mendatar adalah sifar dan foton menegak adalah satu, maka satu pengesan akan mengklik dalam kes sifar logik, dan satu lagi dalam kes satu.

Tetapi apa yang berlaku jika kita menghantar foton pepenjuru? Kemudian kemalangan kuantum yang terkenal mula memainkan peranan. Adalah mustahil untuk mengatakan sama ada foton sedemikian akan lulus atau dipantulkan - ia akan melakukan sama ada satu atau yang lain dengan kebarangkalian 50 peratus. Meramalkan tingkah lakunya adalah mustahil pada dasarnya. Selain itu, harta ini mendasari penjana nombor rawak komersial.

Apa yang perlu dilakukan jika kita mempunyai tugas untuk membezakan polarisasi tambah 45 darjah dan tolak 45 darjah? Ia adalah perlu untuk memutarkan pembahagi rasuk di sekeliling paksi rasuk. Kemudian hukum rawak kuantum akan beroperasi untuk foton dengan polarisasi mendatar dan menegak. Harta ini adalah asas. Kita tidak boleh bertanya apakah polarisasi foton ini.

Foto: Muzium Sains / Globallookpress.com

Prinsip kriptografi kuantum

Apakah idea di sebalik kriptografi kuantum? Katakan Alice menghantar foton kepada Bob, yang dikodkannya sama ada secara mendatar-menegak atau menyerong. Bob juga membelek syiling, memutuskan secara rawak sama ada asasnya adalah mendatar-menegak atau pepenjuru. Jika kaedah pengekodan mereka sepadan, Bob akan menerima data yang dihantar oleh Alice, jika tidak, maka beberapa karut. Mereka menjalankan operasi ini beribu-ribu kali, dan kemudian "memanggil" melalui saluran terbuka dan memberitahu satu sama lain dalam asas apa yang mereka lakukan pemindahan - kita boleh menganggap bahawa maklumat ini kini tersedia kepada sesiapa sahaja. Seterusnya, Bob dan Alice akan dapat menghapuskan peristiwa di mana pangkalannya berbeza, dan meninggalkan peristiwa yang sama (akan terdapat kira-kira separuh daripadanya).

Katakan beberapa pengintip telah terjebak ke dalam talian yang ingin mencuri dengar mesej, tetapi dia juga perlu mengukur maklumat dalam beberapa asas. Bayangkan bahawa Alice dan Bob mempunyai perkara yang sama, tetapi mata-mata itu tidak. Dalam keadaan di mana data dihantar dalam asas mendatar-menegak, dan penyimak mengukur penghantaran dalam pepenjuru, dia akan menerima nilai rawak dan memajukan beberapa foton sewenang-wenangnya kepada Bob, kerana dia tidak tahu apa yang sepatutnya. Oleh itu, gangguannya akan diperhatikan.

Masalah terbesar dalam kriptografi kuantum ialah kehilangan. Malah gentian terbaik dan paling moden memberikan kerugian 50 peratus untuk setiap 10-12 kilometer kabel. Katakan kami menghantar kunci rahsia kami dari Moscow ke St. Petersburg - sejauh 750 kilometer, dan hanya satu daripada satu bilion bilion foton akan mencapai matlamat. Semua ini menjadikan teknologi itu tidak praktikal sepenuhnya. Itulah sebabnya kriptografi kuantum moden hanya berfungsi pada jarak kira-kira 100 kilometer. Secara teorinya, ia diketahui bagaimana menyelesaikan masalah ini - dengan bantuan pengulang kuantum, tetapi pelaksanaannya memerlukan teleportasi kuantum.

Foto: Perry Mastrovito / Globallookpress.com

keterikatan kuantum

Takrifan saintifik keterikatan kuantum ialah keadaan superposisi yang diasingkan. Kedengaran rumit, tetapi contoh mudah boleh diberikan. Katakan kita mempunyai dua foton: mendatar dan menegak, yang keadaan kuantumnya saling bergantung. Kami menghantar salah satu daripada mereka kepada Alice, dan satu lagi kepada Bob, yang membuat pengukuran pada pembahagi rasuk polarisasi.

Apabila ukuran ini dibuat dalam asas mendatar-menegak biasa, adalah jelas bahawa hasilnya akan berkorelasi. Jika Alice melihat foton mendatar, maka foton kedua, sudah tentu, akan menegak, dan sebaliknya. Ini boleh dibayangkan dengan cara yang lebih mudah: kami mempunyai bola biru dan merah, kami mengelak setiap daripada mereka dalam sampul surat tanpa melihat dan menghantarnya kepada dua penerima - jika seseorang menerima merah, yang kedua pasti akan menerima biru.

Tetapi dalam kes keterikatan kuantum, perkara itu tidak terhad kepada ini. Korelasi ini berlaku bukan sahaja dalam asas mendatar-menegak, tetapi juga dalam mana-mana yang lain. Sebagai contoh, jika Alice dan Bob memutarkan pemisah pancaran mereka 45 darjah pada masa yang sama, mereka akan mempunyai padanan yang sempurna sekali lagi.

Ini adalah fenomena kuantum yang sangat pelik. Katakan Alice memusingkan pembahagi pancarannya dan menemui beberapa foton dengan polarisasi α yang melaluinya. Jika Bob mengukur fotonnya dalam asas yang sama, dia akan mendapati polarisasi 90 darjah +α.

Jadi, pada mulanya kita mempunyai keadaan terjerat: foton Alice tidak ditentukan sepenuhnya dan foton Bob tidak ditentukan sepenuhnya. Apabila Alice mengukur fotonnya, mendapati beberapa nilai, kini kita tahu dengan tepat foton yang Bob miliki, tidak kira betapa jauhnya dia. Kesan ini telah berulang kali disahkan oleh eksperimen, ini bukan fantasi.

teleportasi kuantum

Katakan Alice mempunyai foton tertentu dengan polarisasi α, yang dia belum tahu, iaitu, dalam keadaan tidak diketahui. Tiada saluran langsung antara dia dan Bob. Jika ada saluran, maka Alice akan dapat mendaftarkan keadaan foton dan menyampaikan maklumat ini kepada Bob. Tetapi adalah mustahil untuk mengetahui keadaan kuantum dalam satu ukuran, jadi kaedah ini tidak sesuai. Walau bagaimanapun, antara Alice dan Bob terdapat sepasang foton terjerat yang telah disediakan terlebih dahulu. Disebabkan ini, adalah mungkin untuk membuat foton Bob mengambil keadaan awal foton Alice, "ditelefon" kemudian pada talian telefon bersyarat.

Berikut adalah klasik (walaupun analog yang sangat jauh) semua ini. Alice dan Bob masing-masing menerima belon merah atau biru dalam sampul surat. Alice mahu menghantar maklumat kepada Bob tentang apa yang dia ada. Untuk melakukan ini, dia perlu, setelah "menelefon" Bob, membandingkan bola, memberitahunya "Saya mempunyai yang sama" atau "Kami mempunyai yang berbeza". Jika seseorang mencuri dengar baris ini, ia tidak akan membantu dia untuk mengenali warna mereka.

Bagaimana semuanya berfungsi? Kami mempunyai keadaan terjerat dan foton yang ingin kami teleport. Alice mesti membuat ukuran yang sesuai bagi foton teleport asal dan bertanya dalam keadaan apa foton yang satu lagi itu berada. Secara rawak, dia menerima satu daripada empat jawapan yang mungkin. Hasil daripada kesan memasak jauh, ternyata selepas pengukuran ini, bergantung pada hasilnya, foton Bob pergi ke keadaan tertentu. Sebelum itu, dia terjerat dengan foton Alice, berada dalam keadaan tidak tentu.

Alice memberitahu Bob melalui telefon tentang ukurannya. Jika hasilnya, katakan, ternyata ψ-, maka Bob tahu bahawa fotonnya telah berubah secara automatik menjadi keadaan ini. Jika Alice melaporkan bahawa ukurannya memberikan hasil ψ+, maka foton Bob mengambil polarisasi -α. Pada penghujung percubaan teleportasi, Bob mempunyai salinan foton asal Alice, dan fotonnya serta maklumat mengenainya dimusnahkan dalam proses itu.

teknologi teleportasi

Sekarang kita boleh teleport polarisasi foton dan beberapa keadaan atom. Tetapi apabila mereka menulis, mereka berkata, saintis telah belajar bagaimana untuk teleport atom - ini adalah satu penipuan, kerana atom mempunyai banyak keadaan kuantum, satu set yang tidak terhingga. Paling baik, kami telah mengetahui cara untuk teleport beberapa daripada mereka.

Soalan kegemaran saya ialah bilakah teleportasi manusia akan berlaku? Jawapannya tidak pernah. Katakan kita mempunyai Kapten Picard dari siri Star Trek yang perlu diteleportasikan ke permukaan planet dari sebuah kapal. Untuk melakukan ini, seperti yang telah kita ketahui, kita perlu membuat beberapa lagi Picard yang sama, membawa mereka ke dalam keadaan keliru yang merangkumi semua keadaan yang mungkin (sedar, mabuk, tidur, merokok - benar-benar segala-galanya) dan mengambil ukuran pada kedua-duanya. Jelas betapa sukar dan tidak realistiknya ini.

Teleportasi kuantum adalah fenomena yang menarik tetapi makmal. Perkara tidak akan datang kepada teleportasi makhluk hidup (sekurang-kurangnya dalam masa terdekat). Walau bagaimanapun, ia boleh digunakan dalam amalan untuk mencipta pengulang kuantum untuk menghantar maklumat pada jarak jauh.

Sekumpulan saintis dari Akademi Sains China telah menjalankan eksperimen satelit mengenai pemindahan keadaan kuantum antara pasangan foton terjerat (yang dipanggil teleportasi kuantum) pada jarak rekod lebih daripada 1200 km.

Fenomena (atau keterjeratan) timbul apabila keadaan dua atau lebih zarah saling bergantung (berkorelasi), yang boleh dipisahkan pada jarak yang jauh sewenang-wenangnya, tetapi pada masa yang sama mereka terus "merasakan" satu sama lain. Pengukuran parameter satu zarah membawa kepada pemusnahan segera keadaan terjerat yang lain, yang sukar untuk dibayangkan tanpa memahami prinsip mekanik kuantum, terutamanya sejak zarah (ia adalah ditunjukkan khas dalam eksperimen untuk melanggar apa yang dipanggil ketidaksamaan Bell) tidak mempunyai sebarang parameter tersembunyi yang akan menyimpan maklumat tentang keadaan "sahabat", dan pada masa yang sama, perubahan keadaan serta-merta tidak membawa kepada pelanggaran prinsip kausalitas. dan tidak membenarkan maklumat berguna dihantar dengan cara ini.

Untuk menghantar maklumat sebenar, penyertaan zarah yang bergerak pada kelajuan tidak melebihi kelajuan cahaya juga diperlukan. Sebagai contoh, foton yang mempunyai progenitor yang sama boleh bertindak sebagai zarah terjerat, dan, katakan, putaran mereka digunakan sebagai parameter bergantung.

Pemindahan keadaan zarah terjerat dalam jarak yang semakin jauh dan dalam keadaan yang paling ekstrem adalah menarik bukan sahaja kepada saintis yang terlibat dalam fizik asas, tetapi juga kepada jurutera yang mereka bentuk komunikasi selamat. Adalah dipercayai bahawa fenomena keterikatan zarah pada masa hadapan akan memberikan kita, pada dasarnya, saluran komunikasi yang tidak boleh digodam. "Perlindungan" dalam kes ini akan menjadi pemberitahuan yang tidak dapat dielakkan daripada peserta dalam perbualan bahawa orang lain telah mengganggu komunikasi mereka.

Buktinya ialah undang-undang fizik yang tidak boleh dipecahkan - keruntuhan fungsi gelombang yang tidak dapat dipulihkan.

Prototaip peranti untuk melaksanakan komunikasi kuantum selamat sedemikian telah pun dibuat, tetapi terdapat juga idea untuk menjejaskan operasi semua "saluran yang benar-benar selamat", contohnya, dengan pengukuran kuantum lemah yang boleh diterbalikkan, jadi masih tidak jelas sama ada kriptografi kuantum akan boleh keluar dari peringkat ujian prototaip, bukan sama ada semua pembangunan akan ditakdirkan lebih awal dan tidak sesuai untuk aplikasi praktikal.

Perkara lain: penghantaran keadaan terjerat setakat ini hanya dilakukan pada jarak tidak melebihi 100 km, disebabkan kehilangan foton dalam gentian optik atau di udara, kerana kebarangkalian bahawa sekurang-kurangnya beberapa foton akan mencapai pengesan menjadi. semakin kecil. Dari semasa ke semasa terdapat laporan tentang pencapaian lain di laluan ini, tetapi masih belum mungkin untuk meliputi seluruh dunia dengan sambungan sedemikian.

Jadi, awal bulan ini, ahli fizik Kanada mengumumkan percubaan yang berjaya untuk berkomunikasi melalui saluran kuantum selamat dengan pesawat, tetapi ia hanya 3-10 km dari pemancar.

Protokol pengulang kuantum yang dipanggil diiktiraf sebagai salah satu cara untuk meningkatkan penyebaran isyarat secara radikal, tetapi nilai praktikalnya masih dipersoalkan kerana keperluan untuk menyelesaikan beberapa isu teknikal yang kompleks.

Pendekatan lain adalah tepat menggunakan teknologi satelit, kerana satelit boleh kekal dalam garis penglihatan pada masa yang sama untuk tempat yang sangat jauh yang berbeza di Bumi. Kelebihan utama pendekatan ini mungkin bahawa kebanyakan laluan foton akan berada dalam hampir vakum dengan penyerapan hampir sifar dan penghapusan dekoheren (pelanggaran koheren akibat interaksi zarah dengan persekitaran).

Untuk menunjukkan kebolehlaksanaan eksperimen satelit, pakar China menjalankan ujian tanah awal yang menunjukkan kejayaan perambatan dua arah pasangan foton terjerat melalui persekitaran terbuka pada jarak 600 m, 13 km dan 102 km dengan kehilangan saluran berkesan sebanyak 80 dB. Eksperimen juga dijalankan ke atas pemindahan keadaan kuantum pada platform bergerak di bawah keadaan kerugian dan pergolakan yang tinggi.

Selepas kajian kemungkinan terperinci dengan penyertaan saintis Austria, satelit $100 juta telah dibangunkan, dilancarkan pada 16 Ogos 2016 dari Kosmodrom Jiuquan di Gurun Gobi menggunakan kenderaan pelancar Long March-2D ke orbit dengan ketinggian 500 km.

Satelit itu dinamakan "Mo-tzu" sebagai penghormatan kepada ahli falsafah Cina kuno abad ke-5 SM, pengasas Moism (doktrin cinta sejagat dan konsekuensialisme negara). Selama beberapa abad di China, Mohisme berjaya bersaing dengan Konfusianisme, sehingga yang terakhir diterima sebagai ideologi negara.

Misi Mozi disokong oleh tiga stesen darat: di Delinghe (Wilayah Qinghai), Nanshan di Urumqi (Xinjiang) dan Balai Cerap GaoMeiGu (GMG) di Lijiang (Wilayah Yunnan). Jarak antara Delinghe dan Lijiang ialah 1203 km. Jarak antara satelit yang mengorbit dan stesen bumi ini berbeza antara 500-2000 km.

Oleh kerana foton terjerat tidak boleh begitu sahaja "dikuatkan" seperti isyarat klasik, kaedah baharu perlu dibangunkan untuk mengurangkan pengecilan dalam saluran penghantaran antara Bumi dan satelit. Untuk mencapai kecekapan gandingan yang diperlukan, adalah perlu untuk mencapai perbezaan rasuk minimum secara serentak dan menghala ke pengesan berkelajuan tinggi dan berketepatan tinggi.

Setelah membangunkan sumber kosmik ultra-terang bagi jalinan dua foton dan teknologi APT (memperoleh, menunjuk, dan menjejak) berketepatan tinggi, kumpulan itu mewujudkan "gandingan kuantum" antara pasangan foton yang dipisahkan sejauh 1203 km, saintis menjalankan so- dipanggil ujian Bell untuk menyemak pelanggaran lokaliti (keupayaan untuk menjejaskan dengan serta-merta keadaan zarah jauh) dan memperoleh keputusan dengan kepentingan statistik empat sigma (sisihan piawai).

Skim sumber foton pada satelit. Ketebalan kristal KTiOPO4 (PPKTP) ialah 15 mm. Sepasang cermin cekung luar paksi memfokuskan laser pam (PL) di tengah kristal PPKTP. Output interferometer Sagnac menggunakan dua cermin dikromatik (DM) dan penapis untuk memisahkan foton isyarat daripada laser pam. Dua cermin tambahan (PI) yang dikawal dari jauh dari tanah digunakan untuk memperhalusi arah rasuk untuk kecekapan pengumpulan rasuk yang optimum. QWP - bahagian fasa gelombang suku; HWP - bahagian fasa separuh gelombang; PBS - pembahagi rasuk polarisasi.

Berbanding dengan kaedah sebelumnya menggunakan sampel komersil gentian telekomunikasi yang paling biasa, kecekapan sambungan satelit ternyata menjadi banyak pesanan magnitud yang lebih tinggi, yang, menurut pengarang kajian, membuka jalan untuk aplikasi praktikal yang sebelum ini tidak tersedia di Bumi .

teleportasi kuantum- ini adalah teleportasi bukan objek fizikal, bukan tenaga, tetapi keadaan. Tetapi dalam kes ini, negeri dipindahkan dengan cara yang mustahil dilakukan dalam perwakilan klasik. Sebagai peraturan, sejumlah besar ukuran komprehensif diperlukan untuk menghantar maklumat tentang objek. Tetapi mereka memusnahkan keadaan kuantum, dan kami tidak mempunyai cara untuk mengukurnya semula. Teleportasi kuantum digunakan untuk memindahkan, memindahkan keadaan tertentu, mempunyai maklumat minimum mengenainya, tanpa "melihat" ke dalamnya, tanpa mengukurnya, dan dengan itu tanpa melanggarnya.

qubit

Qubit ialah keadaan yang dihantar semasa teleportasi kuantum. Bit kuantum berada dalam superposisi dua keadaan. Keadaan klasik adalah, sebagai contoh, sama ada dalam keadaan 0 atau dalam keadaan 1. Keadaan kuantum berada dalam superposisi, dan, yang sangat penting, sehingga kita mengukurnya, ia tidak akan ditentukan. Mari kita bayangkan bahawa kita mempunyai qubit pada 30% - 0 dan pada 70% - 1. Jika kita mengukurnya, kita boleh mendapat kedua-dua 0 dan 1. Tiada apa yang boleh dikatakan untuk satu ukuran. Tetapi jika kita menyediakan 100, 1000 keadaan yang serupa dan mengukurnya berulang kali, kita boleh mencirikan keadaan ini dengan agak tepat dan memahami bahawa ia benar-benar 30% - 0 dan 70% - 1.

Ini adalah contoh mendapatkan maklumat dengan cara klasik. Setelah menerima sejumlah besar data, penerima boleh mencipta semula keadaan ini. Walau bagaimanapun, mekanik kuantum membolehkan kita tidak menyediakan banyak keadaan. Bayangkan bahawa kita hanya mempunyai satu, unik, dan tidak ada yang lain sepertinya. Kemudian dalam klasik ia tidak lagi mungkin untuk menyampaikannya. Secara fizikal, secara langsung, ini juga tidak selalu mungkin. Dan dalam mekanik kuantum, kita boleh menggunakan kesan keterikatan.

Kami juga menggunakan fenomena quantum nonlocality, iaitu fenomena yang mustahil di dunia yang kita kenali, agar keadaan ini hilang di sini dan muncul di sana. Selain itu, perkara yang paling menarik ialah berhubung dengan objek kuantum yang sama terdapat teorem bukan pengklonan. Iaitu, mustahil untuk mencipta keadaan serupa kedua. Satu mesti dimusnahkan agar yang lain muncul.

keterikatan kuantum

Apakah kesan kekusutan? Ini adalah dua keadaan yang disediakan dengan cara yang istimewa, dua objek kuantum - qubit. Untuk kesederhanaan, kita boleh mengambil foton. Jika foton ini dipisahkan dengan jarak yang jauh, ia akan berkait antara satu sama lain. Apakah maksudnya? Bayangkan bahawa kita mempunyai satu foton biru dan satu lagi hijau. Jika kami menghancurkan mereka, melihat dan saya ternyata biru, maka anda ternyata hijau, dan sebaliknya. Atau jika anda mengambil sekotak kasut, di mana terdapat kasut kanan dan kiri, senyap-senyap tarik keluar dan bawa satu kasut kepada anda dalam beg, yang satu lagi kepada saya. Jadi saya membuka beg itu, saya melihat: Saya mempunyai yang betul. Jadi anda pasti berada di sebelah kiri.

Kes kuantum adalah berbeza kerana keadaan yang datang kepada saya sebelum pengukuran adalah bukan biru atau hijau - ia berada dalam superposisi biru dan hijau. Selepas anda mengasingkan kasut, hasilnya sudah ditetapkan. Sedang diusung beg-beg itu masih belum dibuka, tetapi sudah jelas apa yang akan ada. Dan sementara objek kuantum tidak diukur, tiada apa yang telah diputuskan lagi.

Jika kita tidak mengambil warna, tetapi polarisasi, iaitu, arah ayunan medan elektrik, dua pilihan boleh dibezakan: polarisasi menegak dan mendatar dan +45 ° - -45 °. Jika anda menambah bersama mendatar dan menegak dalam perkadaran yang sama, anda mendapat +45 °, jika anda menolak satu daripada yang lain, maka -45 °. Sekarang mari kita bayangkan bahawa dengan cara yang sama satu foton mengenai saya dan satu lagi mengenai anda. Saya melihat: ia menegak. Jadi anda mendatar. Sekarang mari kita bayangkan bahawa saya melihat yang menegak, dan anda melihatnya dalam asas pepenjuru, iaitu, anda melihat sama ada ia adalah +45 ° atau -45 °, anda akan melihat dengan kebarangkalian yang sama satu hasil lain. Tetapi jika saya melihat pada asas pepenjuru dan melihat +45°, maka saya pasti bahawa anda mempunyai -45°.

Paradoks Einstein-Podolsky-Rosen

Keterikatan kuantum dikaitkan dengan sifat asas mekanik kuantum dan apa yang dipanggil paradoks Einstein-Podolsky-Rosen. Einstein memprotes mekanik kuantum untuk sekian lama kerana dia percaya bahawa alam semula jadi tidak dapat menghantar maklumat tentang keadaan pada kelajuan lebih cepat daripada kelajuan cahaya. Kita boleh menyebarkan foton dengan sangat jauh, contohnya, tahun cahaya, dan membukanya pada masa yang sama. Dan kita masih akan melihat korelasi ini.

Tetapi sebenarnya, ini tidak melanggar teori relativiti, kerana kita masih tidak boleh menghantar maklumat menggunakan kesan ini. Sama ada foton menegak atau mendatar diukur. Tetapi ia tidak diketahui terlebih dahulu apa yang akan berlaku. Walaupun fakta bahawa adalah mustahil untuk memindahkan maklumat lebih cepat daripada kelajuan cahaya, keterjeratan membolehkan pelaksanaan protokol teleportasi kuantum. Apa itu? Sepasang foton terjerat dilahirkan. Satu pergi ke pemancar, yang lain - ke penerima. Pemancar bersama-sama mengukur foton sasaran yang hendak dihantar. Dan dengan kebarangkalian ¼ dia akan mendapat keputusan yang OK. Dia boleh melaporkan perkara ini kepada penerima, dan penerima pada masa itu akan tahu bahawa dia mempunyai keadaan yang sama seperti pemancar. Dan dengan kebarangkalian ¾, dia mendapat hasil yang berbeza - bukan ukuran yang tidak berjaya, tetapi hanya hasil yang berbeza. Tetapi dalam apa jua keadaan, ini adalah maklumat berguna yang boleh disampaikan kepada penerima. Penerima dalam tiga daripada empat kes mesti membuat putaran tambahan qubitnya untuk menerima keadaan yang dihantar. Iaitu, 2 bit maklumat dihantar, dan dengan bantuan mereka anda boleh teleport keadaan kompleks yang tidak boleh dikodkan oleh mereka.

kriptografi kuantum

Salah satu aplikasi utama teleportasi kuantum ialah apa yang dipanggil kriptografi kuantum. Idea di sebalik teknologi ini ialah satu foton tidak boleh diklon. Oleh itu, kita boleh menghantar maklumat dalam foton tunggal ini, dan tiada siapa yang boleh menduplikasinya. Selain itu, dengan sebarang percubaan seseorang untuk mempelajari sesuatu tentang maklumat ini, keadaan foton akan berubah atau runtuh. Sehubungan itu, sebarang percubaan untuk mendapatkan maklumat ini oleh orang luar akan diperhatikan. Ini boleh digunakan dalam kriptografi, dalam keselamatan maklumat. Benar, bukan maklumat berguna yang dihantar, tetapi kunci, yang kemudiannya secara klasik memungkinkan untuk menghantar maklumat dengan pasti.

Teknologi ini mempunyai satu kelemahan besar. Hakikatnya, seperti yang kami katakan sebelum ini, adalah mustahil untuk mencipta salinan foton. Isyarat gentian biasa boleh dikuatkan. Untuk kes kuantum, adalah mustahil untuk menguatkan isyarat, kerana penguatan akan bersamaan dengan beberapa pemintas. Dalam kehidupan sebenar, pada talian sebenar, penghantaran terhad kepada jarak kira-kira 100 kilometer. Pada tahun 2016, Pusat Kuantum Rusia mengadakan demonstrasi di talian Gazprombank, di mana mereka menunjukkan kriptografi kuantum pada 30 kilometer serat dalam persekitaran bandar.

Di makmal, kami dapat menunjukkan teleportasi kuantum pada jarak sehingga 327 kilometer. Tetapi, malangnya, jarak jauh tidak praktikal, kerana foton hilang dalam gentian dan kelajuannya sangat rendah. Apa nak buat? Anda boleh meletakkan pelayan perantaraan yang akan menerima maklumat, menyahsulitnya, kemudian menyulitkannya semula dan menghantar lebih lanjut. Inilah yang dilakukan oleh orang Cina, sebagai contoh, apabila membina rangkaian kriptografi kuantum mereka. Pendekatan yang sama digunakan oleh orang Amerika.

Teleportasi kuantum dalam kes ini adalah kaedah baru yang membolehkan menyelesaikan masalah kriptografi kuantum dan meningkatkan jarak kepada beribu-ribu kilometer. Dan dalam kes ini, foton yang sama yang dihantar berulang kali teleport. Banyak kumpulan di seluruh dunia sedang mengusahakan tugas ini.

ingatan kuantum

Bayangkan rangkaian teleportasi. Setiap pautan mempunyai penjana pasangan terjerat, yang mesti mencipta dan mengedarkannya. Ini tidak selalu berfungsi dengan baik. Kadangkala anda perlu menunggu sehingga percubaan seterusnya untuk mengedarkan pasangan berjaya berlaku. Dan qubit mesti mempunyai tempat di mana ia akan menunggu untuk teleportasi. Ini adalah ingatan kuantum.

Dalam kriptografi kuantum, ini adalah sejenis stesen laluan. Stesen sedemikian dipanggil pengulang kuantum, dan ia kini merupakan salah satu kawasan utama untuk penyelidikan dan eksperimen. Ini adalah topik yang popular, pada awal 2010-an, pengulang adalah prospek yang sangat jauh, tetapi kini tugas itu kelihatan boleh dilaksanakan. Sebahagian besarnya kerana teknologi sentiasa berkembang, termasuk melalui piawaian telekomunikasi.

Perjalanan eksperimen di makmal

Jika anda pergi ke Makmal Komunikasi Kuantum, anda akan melihat banyak elektronik dan gentian optik. Semua optik adalah standard, telekomunikasi, laser berada dalam kotak standard kecil - cip. Jika anda memasuki makmal Alexander Lvovsky, di mana, khususnya, mereka melakukan teleportasi, maka anda akan melihat jadual optik, yang distabilkan pada sokongan pneumatik. Iaitu, jika anda menyentuh meja ini, yang beratnya satu tan, dengan jari anda, ia akan mula terapung, bergoyang. Ini dilakukan kerana teknik yang melaksanakan protokol kuantum adalah sangat sensitif. Jika anda memakai kaki yang keras dan berjalan-jalan, maka semuanya akan berada di atas getaran meja. Iaitu, ini adalah optik terbuka, laser mahal yang agak besar. Secara umum, ini adalah peralatan yang agak besar.

Keadaan awal disediakan oleh laser. Untuk menyediakan keadaan terjerat, kristal tak linear digunakan, yang dipam oleh laser berdenyut atau cw. Pasangan foton terhasil disebabkan oleh kesan bukan linear. Bayangkan kita mempunyai foton tenaga dua - ℏ(2ω), ia ditukar kepada dua foton tenaga satu - ℏω + ℏω. Foton ini hanya dilahirkan bersama, satu foton tidak boleh dipisahkan dahulu, kemudian satu lagi. Dan mereka disambungkan (terjerat) dan mempamerkan korelasi bukan klasik.

Sejarah dan penyelidikan semasa

Jadi, dalam kes teleportasi kuantum, kesan diperhatikan yang tidak dapat kita perhatikan dalam kehidupan seharian. Tetapi sebaliknya, terdapat imej yang sangat cantik dan hebat, yang paling sesuai untuk menggambarkan fenomena ini, itulah sebabnya mereka memanggilnya - teleportasi kuantum. Seperti yang telah disebutkan, tidak ada masa apabila qubit masih wujud di sini, tetapi ia telah pun muncul di sana. Iaitu, ia mula-mula dimusnahkan di sini, dan hanya kemudian muncul di sana. Ini adalah teleportasi yang sama.

Teleportasi kuantum telah dicadangkan secara teori pada tahun 1993 oleh sekumpulan saintis Amerika yang diketuai oleh Charles Bennett - kemudian istilah ini muncul. Pelaksanaan eksperimen pertama telah dijalankan pada tahun 1997 oleh dua kumpulan ahli fizik sekaligus di Innsbruck dan Rom. Secara beransur-ansur, saintis berjaya menghantar negeri dalam jarak yang semakin meningkat - dari satu meter ke ratusan kilometer atau lebih.

Sekarang orang cuba membuat eksperimen yang, mungkin pada masa hadapan, akan menjadi asas untuk pengulang kuantum. Dijangka selepas 5-10 tahun kita akan melihat pengulang kuantum sebenar. Arah pemindahan keadaan antara objek yang berbeza sifat juga sedang berkembang, termasuk pada Mei 2016 teleportasi kuantum hibrid telah dijalankan di Pusat Kuantum, di makmal Alexander Lvovsky. Teori juga tidak berdiam diri. Di Pusat Kuantum yang sama, di bawah pimpinan Alexei Fedorov, protokol teleportasi sedang dibangunkan bukan dalam satu arah, tetapi dua arah, untuk teleport negara secara serentak antara satu sama lain dengan bantuan satu pasangan.

Sebagai sebahagian daripada kerja kami pada kriptografi kuantum, kami mencipta pengedaran kuantum dan peranti utama, iaitu, kami menjana kunci yang tidak boleh dipintas. Dan kemudian pengguna boleh menyulitkan maklumat dengan kunci ini menggunakan pad satu kali yang dipanggil. Kelebihan baru teknologi kuantum harus didedahkan dalam dekad yang akan datang. Penciptaan sensor kuantum sedang dibangunkan. Intipati mereka ialah disebabkan oleh kesan kuantum, kita boleh mengukur, sebagai contoh, medan magnet, suhu dengan lebih tepat. Iaitu, pusat NV yang dipanggil dalam berlian diambil - ini adalah berlian kecil, mereka mempunyai kecacatan nitrogen yang berkelakuan seperti objek kuantum. Mereka sangat mirip dengan atom tunggal beku. Melihat kecacatan ini, seseorang boleh melihat perubahan suhu, dan di dalam sel tunggal. Iaitu, untuk mengukur bukan sahaja suhu di bawah lengan, tetapi suhu organel di dalam sel.

Pusat Kuantum Rusia juga mempunyai projek diod putaran. Ideanya ialah kita boleh mengambil antena dan mula mengumpul tenaga dengan sangat cekap daripada gelombang radio latar belakang. Adalah cukup untuk mengingati berapa banyak sumber Wi-Fi kini berada di bandar untuk memahami bahawa terdapat banyak tenaga gelombang radio di sekelilingnya. Ia boleh digunakan untuk penderia boleh pakai (contohnya, untuk penderia paras gula dalam darah). Mereka memerlukan bekalan tenaga yang berterusan: sama ada bateri atau sistem yang mengumpul tenaga, termasuk daripada telefon bimbit. Maksudnya, di satu pihak, masalah ini boleh diselesaikan dengan asas elemen sedia ada dengan kualiti tertentu, dan sebaliknya, teknologi kuantum boleh digunakan dan masalah ini boleh diselesaikan dengan lebih baik, malah lebih kecil.

Mekanik kuantum telah banyak mengubah kehidupan manusia. Semikonduktor, bom atom, tenaga nuklear - ini semua adalah objek yang berfungsi berkatnya. Seluruh dunia kini sedang bergelut untuk mula mengawal sifat kuantum zarah tunggal, termasuk yang terjerat. Sebagai contoh, tiga zarah mengambil bahagian dalam teleportasi: satu pasangan dan sasaran. Tetapi setiap daripada mereka dikawal secara berasingan. Kawalan individu terhadap zarah asas membuka ufuk baharu untuk teknologi, termasuk komputer kuantum.

Yuri Kurochkin, Calon Sains Fizikal dan Matematik, Ketua Makmal Komunikasi Kuantum Pusat Kuantum Rusia.

Tag:

Tambah tag

Di laman web jurnal Nature, pada 9 Ogos, muncul saintis China yang berjaya melakukan teleportasi kuantum pada jarak kira-kira 97 km. Ini adalah rekod baharu, walaupun arXiv.org telah berada di arXiv.org sejak 17 Mei untuk kumpulan lain yang masih belum diterbitkan di mana-mana, yang melaporkan percubaan yang berjaya mengenai teleportasi pada jarak kira-kira 143 km.

Walaupun fakta bahawa fenomena teleportasi kuantum telah dikaji untuk masa yang agak lama, orang yang jauh dari sains tidak memahami apa itu. Saya akan cuba menghilangkan beberapa mitos yang berkaitan dengan bahagian sains ini.

Mitos 1: Teleportasi kuantum secara teorinya membolehkan anda teleport sebarang objek.

Sebenarnya, semasa teleportasi kuantum, bukan objek fizikal dihantar, tetapi beberapa maklumat direkodkan menggunakan keadaan kuantum objek. Biasanya keadaan ini adalah polarisasi foton. Seperti yang diketahui, foton boleh mempunyai dua polarisasi yang berbeza: contohnya, mendatar dan menegak. Ia boleh digunakan sebagai pembawa maklumat bit: katakan, 0 akan sepadan dengan polarisasi mendatar, dan 1 kepada menegak. Kemudian pemindahan keadaan satu foton kepada yang lain akan memastikan pemindahan maklumat.

Dalam kes teleportasi kuantum, pemindahan data berlaku seperti berikut. Pertama, sepasang foton yang dipanggil terjerat dicipta. Ini bermakna keadaan mereka ternyata disambungkan dalam erti kata tertentu: jika salah satu daripada mereka ternyata mempunyai polarisasi mendatar semasa pengukuran, maka yang lain akan sentiasa mempunyai polarisasi menegak dan sebaliknya, dan kedua-duanya berlaku dengan kebarangkalian yang sama. Kemudian foton ini tersebar: satu kekal di sumber mesej, dan satu lagi dibawa oleh penerimanya.

Apabila sumber ingin menghantar mesejnya, ia mengaitkan fotonnya dengan foton lain yang keadaannya (iaitu polarisasi) diketahui dengan tepat, dan kemudian mengukur polarisasi kedua-dua fotonnya. Pada masa ini, keadaan foton yang terletak pada penerima juga berubah dengan cara yang konsisten. Dengan mengukur polarisasinya dan mempelajari daripada saluran komunikasi lain hasil pengukuran foton sumber, penerima boleh menentukan dengan tepat bit maklumat yang dihantar.

Mitos 2: Dengan bantuan teleportasi kuantum, maklumat boleh dihantar pada kelajuan melebihi kelajuan cahaya.

Malah, mengikut idea moden, pemindahan keadaan antara foton terjerat berlaku serta-merta, oleh itu, mungkin terdapat perasaan bahawa maklumat dihantar serta-merta. Ini, bagaimanapun, tidak begitu, kerana walaupun keadaan telah dihantar, adalah mungkin untuk membacanya, mentafsir mesej, hanya selepas menghantar maklumat tambahan tentang apakah polarisasi dua foton yang terletak di sumber. Maklumat tambahan ini dihantar melalui saluran komunikasi klasik dan kadar penghantarannya tidak boleh melebihi kelajuan cahaya.

Mitos 3: Ternyata teleportasi kuantum sama sekali tidak menarik.

Sudah tentu, dalam amalan, ternyata proses teleportasi kuantum mungkin tidak begitu menarik seperti yang kelihatan dari namanya, tetapi ia juga boleh mempunyai aplikasi praktikal yang penting. Pertama sekali, ia adalah pemindahan data yang selamat. Ia sentiasa mungkin untuk memintas mesej yang dihantar melalui saluran komunikasi klasik, tetapi hanya orang yang mempunyai foton gandingan kedua boleh menggunakannya. Orang lain tidak akan dapat membaca mesej itu. Malangnya, penggunaan sebenar kesan ini masih jauh, pada peringkat ini, hanya eksperimen saintifik dijalankan yang memerlukan peralatan yang agak canggih.

Jika anda berminat dengan topik ini, anda juga mungkin berminat untuk membaca tentang apa

Profesor Fakulti Fizik di Universiti Calgary (Kanada), ahli Institut Pengajian Tinggi Kanada Alexander Lvovsky cuba memberitahu secara ringkas tentang prinsip teleportasi kuantum dan kriptografi kuantum.

Kunci istana

Kriptografi ialah seni berkomunikasi dengan selamat melalui saluran yang tidak selamat. Iaitu, anda mempunyai baris tertentu yang boleh didengari, dan anda perlu menghantar mesej rahsia di atasnya yang tidak boleh dibaca oleh orang lain.

Bayangkan, katakan, jika Alice dan Bob mempunyai apa yang dipanggil kunci rahsia, iaitu, urutan rahsia sifar dan yang tidak dimiliki oleh orang lain, mereka boleh menyulitkan mesej menggunakan kunci ini, menggunakan operasi XOR supaya sifar sepadan dengan sifar, dan satu dengan satu. Mesej yang disulitkan sedemikian sudah boleh dihantar melalui saluran terbuka. Jika ada yang memintas, tidak mengapa, kerana tiada siapa yang boleh membacanya, kecuali Bob, yang mempunyai salinan kunci rahsia.

Dalam mana-mana kriptografi, dalam mana-mana komunikasi, sumber yang paling mahal ialah urutan rawak sifar dan satu, yang dimiliki oleh hanya dua orang yang berkomunikasi. Tetapi dalam kebanyakan kes, kriptografi kunci awam digunakan. Katakan anda membeli sesuatu dengan kad kredit di kedai dalam talian menggunakan protokol HTTPS yang selamat. Menurutnya, komputer anda sedang bercakap dengan beberapa pelayan yang ia tidak pernah berkomunikasi sebelum ini, dan ia tidak mempunyai peluang untuk menukar kunci rahsia dengan pelayan ini.

Misteri dialog ini disediakan dengan menyelesaikan masalah matematik yang kompleks, khususnya, penguraian kepada faktor utama. Adalah mudah untuk mendarab dua nombor perdana, tetapi jika tugas sudah diberikan untuk mencari hasil darab mereka, untuk mencari dua faktor, maka sukar. Jika bilangannya cukup besar, ia memerlukan pengiraan bertahun-tahun daripada komputer konvensional.

Namun, jika komputer ini tidak biasa, tetapi kuantum, ia akan menyelesaikan masalah sebegini dengan mudah. Apabila ia akhirnya dicipta, kaedah yang digunakan secara meluas di atas akan menjadi sia-sia, yang dijangka membawa bencana kepada masyarakat.

Jika anda masih ingat, dalam buku Harry Potter yang pertama, protagonis terpaksa melalui keselamatan untuk sampai ke Batu Falsafah. Terdapat sesuatu yang serupa di sini: bagi mereka yang telah mewujudkan perlindungan, ia akan mudah untuk melepasinya. Ia sangat sukar untuk Harry, tetapi akhirnya dia masih dapat mengatasinya.

Contoh ini menggambarkan kriptografi kunci awam dengan baik. Sesiapa yang tidak mengenalinya pada dasarnya boleh menguraikan mesej, tetapi ia akan menjadi sangat sukar baginya, dan ini mungkin akan mengambil masa bertahun-tahun. Kriptografi kunci awam tidak menyediakan keselamatan mutlak.

kriptografi kuantum

Semua ini menjelaskan keperluan untuk kriptografi kuantum. Dia memberi kita yang terbaik dari kedua-dua dunia. Terdapat kaedah pad sekali sahaja, boleh dipercayai, tetapi, sebaliknya, memerlukan kunci rahsia "mahal". Untuk membolehkan Alice berkomunikasi dengan Bob, dia mesti menghantar kurier dengan beg pakaian yang penuh dengan cakera yang mengandungi kunci sedemikian. Dia akan memakannya secara beransur-ansur, kerana setiap satu daripadanya hanya boleh digunakan sekali. Sebaliknya, kami mempunyai kaedah kunci awam, yang "murah" tetapi tidak memberikan keselamatan mutlak.

Kriptografi kuantum, dalam satu pihak, adalah "murah", ia membenarkan penghantaran kunci yang selamat melalui saluran yang boleh digodam, dan sebaliknya, ia menjamin kerahsiaan kerana undang-undang asas fizik. Maksudnya adalah untuk mengekod maklumat dalam keadaan kuantum foton individu.

Selaras dengan postulat fizik kuantum, keadaan kuantum pada masa ia cuba diukur akan musnah dan berubah. Oleh itu, jika terdapat beberapa pengintip di talian antara Alice dan Bob cuba mencuri dengar atau mengintip, dia pasti akan mengubah keadaan foton, penyampai akan menyedari bahawa talian sedang diketuk, menghentikan komunikasi dan mengambil tindakan.

Tidak seperti kebanyakan teknologi kuantum lain, kriptografi kuantum adalah komersial, bukan fiksyen sains. Sudah, terdapat syarikat yang menghasilkan pelayan yang disambungkan ke talian gentian optik konvensional, yang melaluinya anda boleh berkomunikasi dengan selamat.

Cara pembahagi rasuk polarisasi berfungsi

Cahaya ialah gelombang elektromagnet melintang, berayun bukan sepanjang, tetapi merentasi. Sifat ini dipanggil polarisasi, dan ia hadir walaupun dalam foton individu. Ia boleh digunakan untuk mengekod maklumat. Sebagai contoh, foton mendatar adalah sifar dan foton menegak adalah satu (sama juga berlaku untuk foton dengan polarisasi tambah 45 darjah dan tolak 45 darjah).

Alice mengekod maklumat dengan cara ini dan Bob perlu menerimanya. Untuk ini, peranti khas digunakan - pembahagi rasuk polarisasi, kubus yang terdiri daripada dua prisma yang dilekatkan bersama. Ia menghantar aliran terkutub mendatar dan mencerminkan aliran terkutub menegak, kerana maklumat itu dinyahkodkan. Jika foton mendatar adalah sifar dan foton menegak adalah satu, maka satu pengesan akan mengklik dalam kes sifar logik, dan satu lagi dalam kes satu.

Tetapi apa yang berlaku jika kita menghantar foton pepenjuru? Kemudian kemalangan kuantum yang terkenal mula memainkan peranan. Adalah mustahil untuk mengatakan sama ada foton sedemikian akan lulus atau dipantulkan - ia akan melakukan sama ada satu atau yang lain dengan kebarangkalian 50 peratus. Meramalkan tingkah lakunya adalah mustahil pada dasarnya. Selain itu, harta ini mendasari penjana nombor rawak komersial.

Apa yang perlu dilakukan jika kita mempunyai tugas untuk membezakan polarisasi tambah 45 darjah dan tolak 45 darjah? Ia adalah perlu untuk memutarkan pembahagi rasuk di sekeliling paksi rasuk. Kemudian hukum rawak kuantum akan beroperasi untuk foton dengan polarisasi mendatar dan menegak. Harta ini adalah asas. Kita tidak boleh bertanya apakah polarisasi foton ini.

Prinsip kriptografi kuantum

Apakah idea di sebalik kriptografi kuantum? Katakan Alice menghantar foton kepada Bob, yang dikodkannya sama ada secara mendatar-menegak atau menyerong. Bob juga membelek syiling, memutuskan secara rawak sama ada asasnya adalah mendatar-menegak atau pepenjuru. Jika kaedah pengekodan mereka sepadan, Bob akan menerima data yang dihantar oleh Alice, jika tidak, maka beberapa karut. Mereka menjalankan operasi ini beribu-ribu kali, dan kemudian "memanggil" melalui saluran terbuka dan memberitahu satu sama lain dalam asas apa yang mereka lakukan pemindahan - kita boleh menganggap bahawa maklumat ini kini tersedia kepada sesiapa sahaja. Seterusnya, Bob dan Alice akan dapat menghapuskan peristiwa di mana pangkalannya berbeza, dan meninggalkan peristiwa yang sama (akan terdapat kira-kira separuh daripadanya).

Katakan beberapa pengintip telah terjebak ke dalam talian yang ingin mencuri dengar mesej, tetapi dia juga perlu mengukur maklumat dalam beberapa asas. Bayangkan bahawa Alice dan Bob mempunyai perkara yang sama, tetapi mata-mata itu tidak. Dalam keadaan di mana data dihantar dalam asas mendatar-menegak, dan penyimak mengukur penghantaran dalam pepenjuru, dia akan menerima nilai rawak dan memajukan beberapa foton sewenang-wenangnya kepada Bob, kerana dia tidak tahu apa yang sepatutnya. Oleh itu, gangguannya akan diperhatikan.

Masalah terbesar dalam kriptografi kuantum ialah kehilangan. Malah gentian terbaik dan paling moden memberikan kerugian 50 peratus untuk setiap 10-12 kilometer kabel. Katakan kami menghantar kunci rahsia kami dari Moscow ke St. Petersburg - sejauh 750 kilometer, dan hanya satu daripada satu bilion bilion foton akan mencapai matlamat. Semua ini menjadikan teknologi itu tidak praktikal sepenuhnya. Itulah sebabnya kriptografi kuantum moden hanya berfungsi pada jarak kira-kira 100 kilometer. Secara teorinya, ia diketahui bagaimana menyelesaikan masalah ini - dengan bantuan pengulang kuantum, tetapi pelaksanaannya memerlukan teleportasi kuantum.

keterikatan kuantum

Takrifan saintifik keterikatan kuantum ialah keadaan superposisi yang diasingkan. Kedengaran rumit, tetapi contoh mudah boleh diberikan. Katakan kita mempunyai dua foton: mendatar dan menegak, yang keadaan kuantumnya saling bergantung. Kami menghantar salah satu daripada mereka kepada Alice, dan satu lagi kepada Bob, yang membuat pengukuran pada pembahagi rasuk polarisasi.

Apabila ukuran ini dibuat dalam asas mendatar-menegak biasa, adalah jelas bahawa hasilnya akan berkorelasi. Jika Alice melihat foton mendatar, maka foton kedua, sudah tentu, akan menegak, dan sebaliknya. Ini boleh dibayangkan dengan cara yang lebih mudah: kami mempunyai bola biru dan merah, kami mengelak setiap daripada mereka dalam sampul surat tanpa melihat dan menghantarnya kepada dua penerima - jika seseorang menerima merah, yang kedua pasti akan menerima biru.

Tetapi dalam kes keterikatan kuantum, perkara itu tidak terhad kepada ini. Korelasi ini berlaku bukan sahaja dalam asas mendatar-menegak, tetapi juga dalam mana-mana yang lain. Sebagai contoh, jika Alice dan Bob memutarkan pemisah pancaran mereka 45 darjah pada masa yang sama, mereka akan mempunyai padanan yang sempurna sekali lagi.

Ini adalah fenomena kuantum yang sangat pelik. Katakan Alice memusingkan pembahagi pancarannya dan menemui beberapa foton dengan polarisasi α yang melaluinya. Jika Bob mengukur fotonnya dalam asas yang sama, dia akan mendapati polarisasi 90 darjah +α.

Jadi, pada mulanya kita mempunyai keadaan terjerat: foton Alice tidak ditentukan sepenuhnya dan foton Bob tidak ditentukan sepenuhnya. Apabila Alice mengukur fotonnya, mendapati beberapa nilai, kini kita tahu dengan tepat foton yang Bob miliki, tidak kira betapa jauhnya dia. Kesan ini telah berulang kali disahkan oleh eksperimen, ini bukan fantasi.

Katakan Alice mempunyai foton tertentu dengan polarisasi α, yang dia belum tahu, iaitu, dalam keadaan tidak diketahui. Tiada saluran langsung antara dia dan Bob. Jika ada saluran, maka Alice akan dapat mendaftarkan keadaan foton dan menyampaikan maklumat ini kepada Bob. Tetapi adalah mustahil untuk mengetahui keadaan kuantum dalam satu ukuran, jadi kaedah ini tidak sesuai. Walau bagaimanapun, antara Alice dan Bob terdapat sepasang foton terjerat yang telah disediakan terlebih dahulu. Disebabkan ini, adalah mungkin untuk membuat foton Bob mengambil keadaan awal foton Alice, "ditelefon" kemudian pada talian telefon bersyarat.

Berikut adalah klasik (walaupun analog yang sangat jauh) semua ini. Alice dan Bob masing-masing menerima belon merah atau biru dalam sampul surat. Alice mahu menghantar maklumat kepada Bob tentang apa yang dia ada. Untuk melakukan ini, dia perlu, setelah "menelefon" Bob, membandingkan bola, memberitahunya "Saya mempunyai yang sama" atau "Kami mempunyai yang berbeza". Jika seseorang mencuri dengar baris ini, ia tidak akan membantu dia untuk mengenali warna mereka.

Oleh itu, terdapat empat pilihan untuk keputusan acara (dengan syarat, penerima mempunyai belon biru, belon merah, merah dan biru, atau biru dan merah). Mereka menarik kerana ia membentuk asas. Jika kita mempunyai dua foton dengan polarisasi yang tidak diketahui, maka kita boleh "menanyakan soalan kepada mereka" di mana antara keadaan ini mereka berada, dan mendapatkan jawapan. Tetapi jika sekurang-kurangnya salah satu daripada mereka terikat dengan beberapa foton lain, maka kesan penyediaan jauh akan berlaku, dan foton jauh ketiga akan "bersedia" dalam keadaan tertentu. Inilah yang berasaskan teleportasi kuantum.

Bagaimana semuanya berfungsi? Kami mempunyai keadaan terjerat dan foton yang ingin kami teleport. Alice mesti membuat ukuran yang sesuai bagi foton teleport asal dan bertanya dalam keadaan apa foton yang satu lagi itu berada. Secara rawak, dia menerima satu daripada empat jawapan yang mungkin. Hasil daripada kesan memasak jauh, ternyata selepas pengukuran ini, bergantung pada hasilnya, foton Bob pergi ke keadaan tertentu. Sebelum itu, dia terjerat dengan foton Alice, berada dalam keadaan tidak tentu.

Alice memberitahu Bob melalui telefon tentang ukurannya. Jika hasilnya, katakan, ternyata ψ-, maka Bob tahu bahawa fotonnya telah berubah secara automatik menjadi keadaan ini. Jika Alice melaporkan bahawa ukurannya memberikan hasil ψ+, maka foton Bob mengambil polarisasi -α. Pada penghujung percubaan teleportasi, Bob mempunyai salinan foton asal Alice, dan fotonnya serta maklumat mengenainya dimusnahkan dalam proses itu.

teknologi teleportasi

Sekarang kita boleh teleport polarisasi foton dan beberapa keadaan atom. Tetapi apabila mereka menulis, mereka berkata, saintis telah belajar bagaimana untuk teleport atom - ini adalah satu penipuan, kerana atom mempunyai banyak keadaan kuantum, satu set yang tidak terhingga. Paling baik, kami telah mengetahui cara untuk teleport beberapa daripada mereka.

Soalan kegemaran saya ialah bilakah teleportasi manusia akan berlaku? Jawapannya tidak pernah. Katakan kita mempunyai Kapten Picard dari siri Star Trek yang perlu diteleportasikan ke permukaan planet dari sebuah kapal. Untuk melakukan ini, seperti yang telah kita ketahui, kita perlu membuat beberapa lagi Picard yang sama, membawa mereka ke dalam keadaan keliru yang merangkumi semua keadaan yang mungkin (sedar, mabuk, tidur, merokok - benar-benar segala-galanya) dan mengambil ukuran pada kedua-duanya. Jelas betapa sukar dan tidak realistiknya ini.

Teleportasi kuantum adalah fenomena yang menarik tetapi makmal. Perkara tidak akan datang kepada teleportasi makhluk hidup (sekurang-kurangnya dalam masa terdekat). Walau bagaimanapun, ia boleh digunakan dalam amalan untuk mencipta pengulang kuantum untuk menghantar maklumat pada jarak jauh.