В Китае и Канаде успешно прошли эксперименты по квантовой телепортации

© СС0

В Китае и Канаде успешно прошли эксперименты по проведению квантовой телепортации на расстояние более восьми километров. Эти опыты в условиях города провели независимо друг от друга ученые двух стран.

Как передает South China Morning Post, ранее такие эксперименты проводились только в лабораторных условиях. Квантовая телепортация — это передача на расстояние квантового состояния вещества, которое в точке отправки разрушается, а затем воссоздается в точке приема без прямого переноса самой частицы.

Группа исследователей из Университета науки и технологий Китая осуществила телепортацию фотонов на расстояние 12,5 км в городе Хэфэй (восточно-китайская провинция Аньхой). Для этого использовались обычные оптоволоконные сети.

Канадские ученые провели аналогичный эксперимент в городе Калгари (юго-западная провинция Альберта) на дистанцию 8,2 км.

Специалисты двух стран использовали разные подходы. Китайцы по своему каналу телепортировали всего два фотона в час, но с более высокой надежностью. Канадцы же смогли передать до 17 частиц в минуту, но их технология отличается меньшей точностью и наличием ряда ограничениями для использования на практике.

В прошлом году американским ученым удалось отправить фотон на расстояние более 100 км, но лишь в пределах лаборатории — через намотанный там витками оптоволоконный кабель, передает

Система для подготовки запутанных состояний и передаваемых состояний к телепортации

Команда миссии спутника квантовой связи QUESS (иначе, «Мо-Цзы») сообщила о первых успехах в телепортации фотонов с поверхности Земли на орбиту. В рамках месячного эксперимента физикам удалось осуществить телепортацию 911 фотонов на расстояние от 500 до 1400 километров. Это рекордные дистанции для квантовой телепортации. Препринт исследования опубликован на сервере arXiv.org, кратко о нем сообщает MIT Technology Review.

Квантовая телепортация заключается в передаче квантового состояния одной частицы другой частице без непосредственного переноса первой частицы в пространстве. Чтобы телепортировать, например, поляризацию фотона потребуется пара квантово запутанных частиц. Одну из запутанных частиц должен держать у себя отправитель квантового состояния, а вторую - получатель. Затем отправитель производит измерение одновременно над передаваемой частицей и одной из частиц запутанной пары. Квантовая запутанность устроена таким образом, что две частицы ведут себя как единая система - запутанная частица у получателя чувствует, что с ее парой провели измерение и изменяет свое состояние. Зная результат измерения на стороне отправителя (его можно отправить по обычному каналу) можно получить точную копию отправляемой частицы - сразу у получателя. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале квантовой азбуки: « ».

Ранее расстояние для телепортации ограничивалось десятками километров - в 2012 году австрийские физики телепортировали состояния фотонов между Ла Палма и Тенерифе (143 километра). Новая работа преодолевает этот рубеж и улучшает его в несколько раз.

Одна из главных задач для телепортации - распределение запутанных фотонов между отправителем (на Земле) и получателем (спутником) - уже была решена физиками. Работа по созданию запутанной пары, разделенной на 1200 километров была месяц назад в журнале Science . С использованием этих пар оставалось только экспериментально продемонстрировать саму телепортацию.

Схема эксперимента

Ji-Gang Ren et al. / arXiv.org, 2017

В новой работе авторы использовали генератор запутанных фотонов, установленный не на спутнике, а на Земле, в обсерватории Нгари (Тибет). Он создавал свыше четырех тысяч запутанных пар в секунду, один фотон из каждой отправлялся лучом лазера к спутнику, который пролетал над генератором каждую полночь. Сначала ученые показали, что квантовая запутанность сохраняется между Землей и спутником, а затем провели телепортацию поляризации фотона. В действительности, для надежной проверки телепортации ученым требовалось создавать не одну, а сразу две запутанных пары фотонов.

Самые большие потери были связаны с турбулентностью и неоднородностью атмосферы Земли. Эти эффекты приводят к уширению пучка запутанных фотонов и их рассеянию - а значит меньше частиц долетает до спутника.

Всего удалось успешно телепортировать 911 частиц - а за время всего эксперимента были подготовлены и переданы миллионы фотонных пар. Авторы отмечают, что точность телепортации достигает 80 процентов, а потери составляют от 41 до 52 децибел (долетает один фотон из 100 тысяч). Если передавать аналогичный сигнал по 1200-километровому оптоволокну с уровнем потерь 0,2 децибела на километр, то на передачу хотя бы одного фотона уйдет время в 20 раз большее, чем время жизни Вселенной.

Квантовая телепортация - одна из важных методик передачи данных в квантовой телекоммуникации. Она необходима при разработке глобального «квантового интернета» с идеально защищенными каналами связи (на уровне физических законов, запрещающих клонировать квантовые состояния). В прошлом году протоколы квантовой телепортации физики на городских оптоволоконных линиях.

Владимир Королёв

Провела спутниковый эксперимент по передаче квантовых состояний между парами запутанных фотонов (так называемая квантовая телепортация) на рекордное расстояние — более 1200 км.

Явление (или спутанности) возникает при взаимозависимости (коррелированности) состояний двух или большего числа частиц, которые можно разнести на сколь угодно далекие расстояния, но при этом они продолжают «чувствовать» друг друга. Измерение параметра одной частицы приводит к моментальному разрушению запутанного состояния другой, что сложно представить без понимания принципов квантовой механики, тем более что частицы (это было специально показано в экспериментах по нарушению так называемых неравенств Белла) не обладают никакими скрытыми параметрами, в которых бы сохранялась информация о состоянии «компаньона», и при этом мгновенное изменение состояния не приводит к нарушению принципа причинности и не позволяет передавать таким образом полезную информацию.

Для передачи реальной информации дополнительно необходимо участие частиц, движущихся со скоростью, не превышающей световую. В качестве запутанных частиц могут выступать, например, фотоны, имеющие общего прародителя, а в качестве зависимого параметра используется, скажем, их спин.

К передаче состояний запутанных частиц на все более дальние расстояния и в самых экстремальных условиях проявляют интерес не только ученые, занимающиеся фундаментальной физикой, но и инженеры, проектирующие защищенные коммуникации. Считается, что явление запутанности частиц в перспективе предоставит нам в принципе невзламываемые каналы связи. «Защитой» в этом случае послужит неизбежное уведомление участников разговора о том, что в их связь вмешался некто третий.

Свидетельством этому станут нерушимые законы физики — необратимый коллапс волновой функции.

Прототипы устройств для осуществления подобной защищенной квантовой связи уже созданы, однако возникают и идеи по компрометации работы всех этих «абсолютно защищенных каналов», например путем обратимых слабых квантовых измерений, поэтому до сих пор неясно, сможет ли квантовая криптография выйти из стадии испытания прототипов, не окажутся ли все разработки заранее обреченными и непригодными для практического применения.

Еще один момент: передача запутанных состояний осуществлялась до сих пор лишь на расстояния, не превышающие 100 км, из-за потерь фотонов в оптоволокне или в воздухе, поскольку вероятность того, что хотя бы часть фотонов доберется до детектора, становится исчезающе малой. Время от времени появляются сообщения об очередном достижении на этом пути, но охватить подобной связью весь земной шар пока не представляется возможным.

Так, в начале этого месяца канадские физики объявили об успешных попытках связаться по защищенному квантовому каналу с самолетом, но он находился лишь в 3-10 км от передатчика.

Одним из способов кардинального улучшения распространения сигнала признан так называемый протокол квантовых повторителей, но и его практическая ценность остается под вопросом из-за необходимости решения целого ряда сложных технических моментов.

Другой подход как раз и заключается в использовании спутниковых технологий, поскольку спутник может оставаться в прямой видимости одновременно для разных весьма отдаленных мест на Земле. Основным преимуществом такого подхода может быть то, что большая часть пути прохождения фотонов окажется практически в вакууме с почти нулевым поглощением и исключением декогеренции (нарушение когерентности, обусловленное взаимодействием частиц с окружающей средой).

Чтобы продемонстрировать целесообразность спутниковых экспериментов, китайские специалисты проводили предварительные наземные испытания, которые продемонстрировали успешное двунаправленное распространение запутанных пар фотонов через открытую среду на расстояния 600 м, 13 и 102 км с эффективной потерей канала 80 дБ. Были также проведены эксперименты по передаче квантовых состояний на движущихся платформах в условиях высоких потерь и турбулентности.

После подробных технико-экономических обоснований при участии австрийских ученых был разработан спутник стоимостью $100 млн, запущенный 16 августа 2016 года с космодрома Цзюцюань в пустыне Гоби с помощью ракеты-носителя «Чанчжэн-2D» на орбиту высотой 500 км.

Спутник получил наименование «Мо-цзы» в честь древнекитайского философа V века до н.э., основателя моизма (учение о всеобщей любви и государственном консеквенциализме). На протяжении нескольких столетий в Китае моизм успешно конкурировал с конфуцианством, пока последний не был принят в качестве государственной идеологии.

Поддержку миссии «Мо-цзы» обеспечивают три наземные станции: в Дэлинхе (провинция Цинхай), Наньшань в Урумчи (Синьцзян) и обсерватория GaoMeiGu (GMG) в Лицзяне (провинция Юньнань). Расстояние между Дэлинхе и Лицзянем составляет 1203 км. Расстояние между орбитальным спутником и этими наземными станциями колеблется в пределах 500-2000 км.

Из-за того что запутанные фотоны не могут быть просто «усилены», как классические сигналы, необходимо было разработать новые методы для уменьшения затухания в каналах передачи между Землей и спутниками. Чтобы добиться нужной эффективности связи, потребовалось достичь одновременно и минимальной расходимости пучков, и высокоскоростного и высокоточного наведения на детекторы.

Разработав ультраяркий космический источник двухфотонных запутываний и высокоточную технологию APT (acquiring, pointing, and tracking), группа установила «квантовое сцепление» между парами фотонов, разделенных 1203 км, ученые провели так называемое тестирование Белла для проверки нарушений локальности (возможность мгновенно повлиять на состояние удаленной частицы) и получили результат со статистической значимостью четыре сигма (среднеквадратических отклонения).

Схема источника фотонов на спутнике. Толщина кристалла KTiOPO4 (PPKTP) составляет 15 мм. Пара внеосевых вогнутых зеркал фокусирует лазер накачки (PL) в центре кристалла PPKTP. На выходе интерферометра Саньяка используются два дихроматических зеркала (DM) и фильтры для отделения сигнальных фотонов от лазера накачки. Два дополнительных зеркала (PI), дистанционно управляемые с Земли, используются для точной регулировки направления луча для оптимальной эффективности сбора пучка. QWP - четвертьволновая фазовая секция; HWP - полуволновая фазовая секция; PBS - поляризационный светоделитель.

По сравнению с предыдущими методами с использованием самых распространенных коммерческих образцов телекоммуникационного оптоволокна эффективность спутникового соединения оказалась на много порядков выше, что, по мнению авторов исследования, открывает ему путь к практическим применениям, ранее недоступным на Земле.

В прошлом году ракета Long March 2D вылетела из пустыни Гоби и вывела спутник Мо-цзы на орбиту в точку, синхронную Солнцу, поэтому он каждый день проделывает путь вокруг Земли. Мо-цзы - это высокочувствительный спутник, предназначенный для передачи квантовой информации. Он может обнаружить квантовые состояния отдельных фотонов, выпущенных с поверхности нашей планеты.

Сегодня команда Мо-цзы анонсировала своё уникальное достижение: им удалось создать первую спутниковую квантовую сеть "земля - земля". Эта сеть была использована для телепортации первого объекта в истории с Земли на её орбиту. Телепортацией занимаются учёные, проводившие эксперименты в области оптической физики. Этот процесс основан на странном феномене запутанности, во время которого два фотона образуют одну точку во времени и пространстве. С технической точки зрения они описываются одной волновой функцией.

Особенность квантовой запутанности состоит в том, что эти два фотона существуют в одной точке, даже если между ними километры расстояния. Таким образом, изменение состояния одного мгновенно сказывается на состоянии другого. Ещё в 90-х годах прошлого века учёные поняли, что могут использовать этот феномен для телепортации объектов из одной точки Вселенной в другую.

Идея состоит в том, чтобы ">">

Идея состоит в том, чтобы "загрузить" информацию в один фотон, тогда другой становится идентичным первому. Это и есть телепортация

">

Такие эксперименты множество раз проводились в лабораторных условиях на Земле, но вот впервые они были опробованы в межзвёздном пространстве. Телепортация имеет огромное значение для целого спектра технологий, связанных с квантовыми сетями и вычислениями.

Фактически не существует максимального расстояния для телепортации фотонов, но создаваемая между ними связь слишком хрупкая и может разрушиться из-за появившегося в атмосфере или в оптоволокне постороннего вещества. Чтобы подтвердить свою теорию, учёные проводили эксперименты всё время на большем расстоянии, и вот вышли на орбиту. Правда, для этого пришлось построить станцию в Тибете на высоте 4 тысяч метров.

В рамках эксперимента были созданы запутанные пары фотонов, которые были запущены со скоростью 4000 м/с

В интернете появился видеоролик, якобы снятый камерой наружного наблюдения на одной из городских улиц в Китае. На видеозаписи запечатлен необычный инцидент, которой, если судить по дате на видеозаписи, произошел в полночь 9 мая 2012 года.

На видео отчетливо видно, как к переезжающему дорогу велосипеду стремительно приближается грузовик. Казалось бы, столкновение неизбежно, однако неожиданно велосипед вместе с велосипедистом чудесным образом исчезают и появляются на другой стороне улицы.

На замедленном повторе видно, как на большой скорости к велосипеду подбегает человек, хватает его и чудесным образом телепортируется на другой конец дороги. Водитель грузовика тем временем выбегает из автомобиля и смотрит под грузовик, однако замечает, что велосипед вместе со своим хозяином стоят на безопасной стороне улицы. В это же время «человек-телепорт» покидает место происшествия.

Ролик набрал около 1 миллиона просмотра на YouTube. Разумеется, большинство пользователей уверены, что видеозапись - подделка или вирусная реклама ко второй части популярного фильма «Телепорт». Однако нашлись и те, кто считает этот инцидент реальным. Многие из них предположили, что «человек-телепорт» либо пришелец, либо путешественник во времени.