У Китаї та Канаді успішно пройшли експерименти з квантової телепортації

© СС0

У Китаї та Канаді успішно пройшли експерименти з проведення квантової телепортації на відстань понад вісім кілометрів. Ці досліди за умов міста провели незалежно друг від друга вчені двох країн.

Як передає South China Morning Post, раніше такі експерименти проводилися лише у лабораторних умовах. Квантова телепортація - це передача на відстань квантового стану речовини, яке в точці відправлення руйнується, а потім відтворюється в точці прийому без прямого перенесення частки.

Група дослідників з Університету науки та технологій Китаю здійснила телепортацію фотонів на відстань 12,5 км у місті Хефей (східно-китайська провінція Аньхой). Для цього використовувалися звичайні оптоволоконні мережі.

Канадські вчені провели аналогічний експеримент у місті Калгарі (південно-західна провінція Альберта) на дистанцію 8,2 км.

Фахівці двох країн використали різні підходи. Китайці своїм каналом телепортували всього два фотони на годину, але з більш високою надійністю. Канадці ж змогли передати до 17 частинок за хвилину, але їхня технологія відрізняється меншою точністю та наявністю низки обмежень для використання на практиці.

Минулого року американським ученим вдалося відправити фотон на відстань понад 100 км, але лише в межах лабораторії через намотаний там витками оптоволоконний кабель.

Система для підготовки заплутаних станів і станів, що передаються, до телепортації

Команда місії супутника квантового зв'язку QUESS (інакше, Мо-Цзи) повідомила про перші успіхи в телепортації фотонів з поверхні Землі на орбіту. В рамках місячного експерименту фізикам вдалося здійснити телепортацію 911 фотонів на відстань від 500 до 1400 кілометрів. Це рекордні дистанції для квантової телепортації. Препринт дослідження опубліковано на сервері arXiv.org, коротко про нього повідомляє MIT Technology Review.

Квантова телепортація полягає у передачі квантового стану однієї частинки іншій частинці без безпосереднього перенесення першої частинки у просторі. Щоб телепортувати, наприклад, поляризацію фотона буде потрібно пара квантово заплутаних частинок. Одну із заплутаних частинок повинен тримати відправник квантового стану, а другу - одержувач. Потім відправник проводить вимірювання одночасно над частинкою, що передається, і однієї з частинок заплутаної пари. Квантова заплутаність влаштована таким чином, що дві частинки поводяться як єдина система - заплутана частка у одержувача відчуває, що з її парою провели вимір та змінює свій стан. Знаючи результат вимірювання на стороні відправника (його можна відправити по звичайному каналу) можна отримати точну копію частинки, що відправляється - відразу в одержувача. Докладніше про це можна прочитати в нашому матеріалі квантової абетки: «».

Раніше відстань для телепортації обмежувалася десятками кілометрів - у 2012 році австрійські фізики телепортували стани фотонів між Ла Палма та Тенеріфе (143 кілометри). Нова робота долає цей рубіж та покращує його в кілька разів.

Одне з головних завдань для телепортації – розподіл заплутаних фотонів між відправником (на Землі) та одержувачем (супутником) – вже було вирішено фізиками. Робота зі створення заплутаної пари, розділеної на 1200 кілометрів, була місяць тому в журналі Science. З використанням цих пар залишалося лише експериментально продемонструвати саму телепортацію.

Схема експерименту

Ji-Gang Ren та ін. / arXiv.org, 2017

У роботі автори використовували генератор заплутаних фотонів, встановлений не так на супутнику, але в Землі, в обсерваторії Нгарі (Тибет). Він створював понад чотири тисячі заплутаних пар на секунду, один фотон з кожної вирушав променем лазера до супутника, який пролітав над генератором щоночі. Спочатку вчені показали, що квантова заплутаність зберігається між Землею та супутником, а потім провели телепортацію поляризації фотона. Насправді, для надійної перевірки телепортації вченим потрібно створювати не одну, а відразу дві заплутані пари фотонів.

Найбільші втрати пов'язані з турбулентністю і неоднорідністю атмосфери Землі. Ці ефекти призводять до розширення пучка заплутаних фотонів та їхнього розсіювання - а значить менше часток долітає до супутника.

Усього вдалося успішно телепортувати 911 частинок - а за весь експеримент були підготовлені і передані мільйони фотонних пар. Автори зазначають, що точність телепортації сягає 80 відсотків, а втрати становлять від 41 до 52 децибелів (долітає один фотон зі 100 тисяч). Якщо передавати аналогічний сигнал по 1200-кілометровому оптоволокну з рівнем втрат 0,2 децибела на кілометр, то на передачу хоча б одного фотона піде час у 20 разів більший, ніж життя Всесвіту.

Квантова телепортація - одне з найважливіших методик передачі у квантової телекомунікації. Вона необхідна розробки глобального «квантового інтернету» з ідеально захищеними каналами зв'язку (на рівні фізичних законів, що забороняють клонувати квантові стани). Минулого року протоколи квантової телепортації фізики на міських оптоволоконних лініях.

Володимир Корольов

Провела супутниковий експеримент із передачі квантових станів між парами заплутаних фотонів (так звана квантова телепортація) на рекордну відстань – понад 1200 км.

Явище (або сплутаності) виникає при взаємозалежності (корелюваності) станів двох або більшої кількості частинок, які можна рознести на скільки завгодно далекі відстані, але при цьому вони продовжують «відчувати» один одного. Вимірювання параметра однієї частинки призводить до миттєвого руйнування заплутаного стану іншої, що важко уявити без розуміння принципів квантової механіки, тим більше частинки (це було спеціально показанов експериментах з порушення про нерівностей Белла) не мають жодними прихованими параметрами, у яких зберігалася інформація про стан «компаньона», і навіть миттєве зміна стану не призводить до порушення принципу причинності і дозволяє передавати в такий спосіб корисну інформацію.

Для передачі реальної інформації додатково потрібна участь частинок, що рухаються зі швидкістю, що не перевищує світлову. Як заплутаних частинок можуть виступати, наприклад, фотони, що мають спільного прабатька, а як залежний параметр використовується, скажімо, їх спин.

До передачі станів заплутаних частинок на все більш далекі відстані та в найекстремальніших умовах виявляють інтерес не лише вчені, які займаються фундаментальною фізикою, а й інженери, що проектують захищені комунікації. Вважається, що явище заплутаності частинок у перспективі надасть нам у принципі канали зв'язку, що не зламуються. «Захистом» у разі послужить неминуче повідомлення учасників розмови у тому, що у зв'язок втрутився хтось третій.

Свідченням цього стануть непорушні закони фізики - незворотний колапс хвильової функції.

Прототипи пристроїв для здійснення подібного захищеного квантового зв'язку вже створені, проте виникають і ідеї щодо компрометації роботи всіх цих «абсолютно захищених каналів», наприклад шляхом оборотних слабких квантових вимірювань, тому досі неясно, чи зможе квантова криптографія вийти зі стадії випробування прототипів, не чи виявляться всі розробки заздалегідь приреченими та непридатними для практичного застосування.

Ще один момент: передача заплутаних станів здійснювалася досі лише на відстані, що не перевищують 100 км, через втрати фотонів в оптоволокні або в повітрі, оскільки ймовірність того, що хоча б частина фотонів дістанеться детектора, стає меншою. Іноді з'являються повідомлення про чергове досягнення цьому шляху, але охопити подібним зв'язком всю земну кулю доки неможливо.

Так, на початку цього місяця канадські фізики оголосили про успішні спроби зв'язатися із захищеним квантовим каналом з літаком, але він знаходився лише за 3-10 км від передавача.

Одним із способів кардинального поліпшення поширення сигналу визнано так званий протокол квантових повторювачів, але і його практична цінність залишається під питанням через необхідність вирішення цілого ряду складних технічних моментів.

Інший підхід якраз і полягає у використанні супутникових технологій, оскільки супутник може залишатися у прямій видимості одночасно для різних віддалених місць на Землі. Основною перевагою такого підходу може бути те, що велика частина шляху проходження фотонів виявиться практично у вакуумі з майже нульовим поглинанням та винятком декогеренції (порушення когерентності, зумовлене взаємодією частинок із навколишнім середовищем).

Щоб продемонструвати доцільність супутникових експериментів, китайські фахівці проводили попередні наземні випробування, які продемонстрували успішне двонаправлене поширення заплутаних пар фотонів через відкрите середовище на відстані 600 м, 13 та 102 км з ефективною втратою каналу 80 дБ. Були також проведені експерименти з передачі квантових станів на платформах, що рухаються, в умовах високих втрат і турбулентності.

Після докладних техніко-економічних обґрунтувань за участю австрійських учених було розроблено супутник вартістю $100 млн, запущений 16 серпня 2016 року з космодрому Цзюцюань у пустелі Гобі за допомогою ракети-носія «Чанчжен-2D» на орбіту висотою 500.

Супутник отримав найменування «Мо-цзи» на честь давньокитайського філософа V століття до н.е., засновника моїзму (вчення про загальне кохання та державний консеквенціалізм). Протягом кількох століть у Китаї моїзм успішно конкурував з конфуціанством, поки останній не був прийнятий як державна ідеологія.

Підтримку місії «Мо-цзи» забезпечують три наземні станції: у Делінху (провінція Цинхай), Наньшань в Урумчі (Сіньцзян) та обсерваторія GaoMeiGu (GMG) у Ліцзяні (провінція Юньнань). Відстань між Делінхе та Ліцзянем складає 1203 км. Відстань між орбітальним супутником та цими наземними станціями коливається не більше 500-2000 км.

Через те, що заплутані фотони не можуть бути просто «посилені», як класичні сигнали, необхідно було розробити нові методи зменшення згасання в каналах передачі між Землею і супутниками. Щоб досягти потрібної ефективності зв'язку, потрібно досягти одночасно і мінімальної розбіжності пучків, високошвидкісного і високоточного наведення на детектори.

Розробивши ультраярке космічне джерело двофотонних заплутувань і високоточну технологію APT (acquiring, pointing, and tracking), група встановила «квантове зчеплення» між парами фотонів, розділених 1203 км, вчені провели так зване тестування Белла для перевірки порушень локальності. частинки) і отримали результат зі статистичною значимістю чотири сигми (середньоквадратичні відхилення).

Схема джерела фотонів на супутнику. Товщина кристала KTiOPO4 (PPKTP) становить 15 мм. Пара позаосьових увігнутих дзеркал фокусує лазер накачування (PL) у центрі кристала PPKTP. На виході інтерферометра Саньяка використовуються два дихроматичні дзеркала (DM) та фільтри для відділення сигнальних фотонів від лазера накачування. Два додаткові дзеркала (PI), що дистанційно керуються із Землі, використовуються для точного регулювання напрямку променя для оптимальної ефективності збору пучка. QWP - чвертьхвильова фазова секція; HWP – напівхвильова фазова секція; PBS - поляризаційний світлодільник.

У порівнянні з попередніми методами з використанням найпоширеніших комерційних зразків телекомунікаційного оптоволокна ефективність супутникового з'єднання виявилася на багато порядків вищою, що, на думку авторів дослідження, відкриває йому шлях до практичних застосувань, раніше недоступних на Землі.

Минулого року ракета Long March 2D вилетіла з пустелі Гобі і вивела супутник Мо-цзи на орбіту в точку, синхронну Сонцю, тому щодня проходить шлях навколо Землі. Мо-цзи – це високочутливий супутник, призначений передачі квантової інформації. Він може виявити квантові стани окремих фотонів, випущених із поверхні нашої планети.

Сьогодні команда Моцзи анонсувала своє унікальне досягнення: їм вдалося створити першу супутникову квантову мережу "земля - ​​земля". Ця мережа була використана для телепортації першого об'єкта історія з Землі її орбіту. Телепортацією займаються вчені, які проводили експерименти в галузі оптичної фізики. Цей процес заснований на дивному феномені заплутаності, під час якого два фотони утворюють одну точку в часі та просторі. З технічного погляду вони описуються однією хвильовою функцією.

Особливість квантової заплутаності полягає в тому, що ці два фотони існують в одній точці, навіть якщо між ними кілометри відстані. Таким чином, зміна стану одного миттєво позначається на стані іншого. Ще в 90-х роках минулого століття вчені зрозуміли, що можуть використовувати цей феномен для телепортації об'єктів з однієї точки Всесвіту до іншої.

Ідея полягає в тому, щоб ">">

Ідея полягає в тому, щоб "завантажити" інформацію в один фотон, тоді інший стає ідентичним першому. Це і є телепортація

">

Такі експерименти багато разів проводилися в лабораторних умовах на Землі, але вперше вони були випробувані в міжзоряному просторі. Телепортація має велике значення для цілого спектру технологій, пов'язаних із квантовими мережами та обчисленнями.

Фактично не існує максимальної відстані для телепортації фотонів, але зв'язок, що створюється між ними, занадто тендітний і може зруйнуватися через появу в атмосфері або в оптоволокні сторонньої речовини. Щоб підтвердити свою теорію, вчені проводили експерименти постійно на більшій відстані, і ось вийшли на орбіту. Щоправда, для цього довелося збудувати станцію в Тибеті на висоті 4 тисячі метрів.

В рамках експерименту було створено заплутану пару фотонів, які були запущені зі швидкістю 4000 м/с

В інтернеті з'явився відеоролик, який нібито знято камерою зовнішнього спостереження на одній із міських вулиць у Китаї. На відеозаписі зображено незвичайний інцидент, який, якщо судити за датою на відеозаписи, стався опівночі 9 травня 2012 року.

На відео чітко видно, як до велосипеда, що переїжджає дорогу, стрімко наближається вантажівка. Здавалося б, зіткнення неминуче, проте несподівано велосипед разом із велосипедистом чудово зникають і з'являються на іншому боці вулиці.

На уповільненому повторі видно, як на великій швидкості до велосипеда підбігає людина, вистачає її і чудово телепортується на інший кінець дороги. Водій вантажівки тим часом вибігає з автомобіля та дивиться під вантажівку, проте зауважує, що велосипед разом зі своїм господарем стоять на безпечному боці вулиці. У цей час «людина-телепорт» залишає місце події.

Ролик набрав близько 1 мільйона переглядів на YouTube. Зрозуміло, більшість користувачів впевнені, що відеозапис – підробка або вірусна реклама до другої частини популярного фільму «Телепорт». Проте знайшлися й ті, хто вважає цей інцидент реальним. Багато хто з них припустив, що «людина-телепорт» або прибулець, або мандрівник у часі.