Par cuántico. ¿Qué es la teletransportación cuántica? El físico responde. Los experimentos impulsan la ciencia
La teletransportación cuántica es uno de los protocolos más importantes en información cuántica. Basado en el recurso físico del entrelazamiento, sirve como elemento principal de diversas tareas de información y representa un importante componente tecnologías cuánticas, que desempeñan un papel clave en mayor desarrollo Computación cuántica, redes y comunicaciones.
De la ciencia ficción a los descubrimientos de los científicos
Han pasado más de dos décadas desde el descubrimiento de la teletransportación cuántica, que es quizás una de las consecuencias más interesantes y apasionantes de la "rareza". mecánica cuántica. Antes de que se hicieran estos grandes descubrimientos, la idea pertenecía al ámbito de la ciencia ficción. El término teletransportación, acuñado por primera vez en 1931 por Charles H. Fort, se ha utilizado desde entonces para referirse al proceso mediante el cual cuerpos y objetos se transfieren de un lugar a otro sin recorrer realmente la distancia entre ellos.
En 1993, se publicó un artículo que describía un protocolo de información cuántica llamado "teletransportación cuántica", que compartía varias de las características enumeradas anteriormente. Tiene un estado desconocido sistema fisico se mide y posteriormente se reproduce o "reensambla" en un lugar remoto (los elementos físicos del sistema original permanecen en el lugar de transmisión). Este proceso requiere medios de comunicación clásicos y excluye la comunicación superluminal. Requiere el recurso del enredo. De hecho, la teletransportación puede verse como el protocolo de información cuántica que demuestra más claramente la naturaleza del entrelazamiento: sin su presencia, tal estado de transmisión no sería posible dentro de las leyes que describen la mecánica cuántica.
La teletransportación juega un papel activo en el desarrollo de la ciencia de la información. Por un lado, es un protocolo que juega un papel decisivo en el desarrollo de la teoría formal de la información cuántica y, por otro, es un componente fundamental de muchas tecnologías. Repetidor cuántico - elemento clave Comunicaciones a largas distancias. La teletransportación por conmutador cuántico, la computación basada en mediciones y las redes cuánticas son todos derivados de él. También se utiliza como herramienta sencilla estudiar física "extrema" sobre las curvas de tiempo y la evaporación
Hoy en día, la teletransportación cuántica ha sido validada en laboratorios de todo el mundo utilizando muchos sustratos y tecnologías diferentes, incluidos qubits fotónicos, resonancia magnética nuclear, modos ópticos, grupos de átomos, átomos atrapados y sistemas semiconductores. Se han logrado resultados sobresalientes en el campo del alcance de teletransporte y próximamente se realizarán experimentos con satélites. Además, los esfuerzos han comenzado a ampliarse a sistemas más complejos.
Teletransportación de qubits
La teletransportación cuántica se describió por primera vez para sistemas de dos niveles llamados qubits. El protocolo considera dos partes distantes, llamadas Alice y Bob, que comparten 2 qubits, A y B, en estado puro entrelazado, también llamado par Bell. En la entrada, Alice recibe otro qubit a, cuyo estado ρ se desconoce. Luego realiza una medición cuántica conjunta llamada detección de Bell. Transfiere a y A a uno de los cuatro estados de Bell. Como resultado, el estado del qubit de entrada de Alice desaparece durante la medición y el qubit B de Bob se proyecta simultáneamente sobre P † k ρP k . En última etapa protocolo, Alice transmite el resultado clásico de su medición a Bob, quien aplica el operador de Pauli P k para restaurar el ρ original.
El estado inicial del qubit de Alice se considera desconocido, ya que de lo contrario el protocolo se reduce a su medición remota. Alternativamente, puede ser parte de un sistema compuesto más grande compartido con un tercero (en cuyo caso una teletransportación exitosa requiere reproducir todas las correlaciones con ese tercero).
Un experimento típico de teletransportación cuántica considera que el estado inicial es puro y pertenece a un alfabeto limitado, como los seis polos de una esfera de Bloch. En presencia de decoherencia, la calidad del estado reconstruido puede cuantificarse mediante la precisión de teletransportación F ∈. Esta es la precisión entre los estados de Alice y Bob, promediada sobre todos los resultados de detección de Bell y el alfabeto original. Con valores de precisión bajos, existen métodos que permiten una teletransportación imperfecta sin utilizar un recurso enredado. Por ejemplo, Alice puede medir directamente su estado inicial y enviar los resultados a Bob para que prepare el estado resultante. Esta estrategia de preparación de mediciones se llama "teletransportación clásica". Tiene una precisión máxima de clase F = 2/3 para un estado de entrada arbitrario, lo que equivale a un alfabeto de estados mutuamente insesgados, como los seis polos de una esfera de Bloch.
Por tanto, una indicación clara del uso de recursos cuánticos es el valor de precisión F> clase F.
No solo un qubit
Como se dijo, la teletransportación no se limita a qubits, puede incluir sistemas multidimensionales. Para cada dimensión finita d, se puede formular un esquema de teletransportación ideal utilizando una base de vectores de estado entrelazados máximamente, que se pueden obtener a partir de un estado entrelazado máximo dado y una base (U k) de operadores unitarios que satisfacen tr(U † j U k ) = dδ j,k . Un protocolo de este tipo se puede construir para cualquier espacio de Hilbert de dimensión finita, el llamado. sistemas de variables discretas.
Además, la teletransportación cuántica también puede extenderse a sistemas con espacio de Hilbert de dimensión infinita, llamados sistemas de variable continua. Como regla general, se realizan mediante modos ópticos bosónicos, campo eléctrico que puede ser descrito por operadores de cuadratura.
La velocidad y el principio de incertidumbre
¿Cuál es la velocidad de la teletransportación cuántica? La información se transmite a una velocidad similar a la velocidad de transmisión clásica de la misma cantidad; quizás con Teóricamente, se puede utilizar de formas que los clásicos no pueden, por ejemplo, en la computación cuántica, donde los datos son accesibles sólo para el destinatario.
¿Viola la teletransportación cuántica? En el pasado, los científicos no tomaban muy en serio la idea de la teletransportación porque se pensaba que violaba el principio que prohíbe que cualquier proceso de medición o escaneo extraiga toda la información de un átomo u otro objeto. Según el principio de incertidumbre, cuanto más exactamente se escanea un objeto, más se ve afectado por el proceso de escaneo, hasta que se alcanza un punto en el que el estado original del objeto se altera hasta tal punto que ya no se puede obtener suficiente información. para crear una copia exacta. Esto suena convincente: si una persona no puede extraer información de un objeto para crear una copia ideal, entonces ésta no se puede hacer.
Teletransportación cuántica para tontos
Pero seis científicos (Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jossa, Asher Perez y William Wouters) han encontrado una manera de sortear esta lógica, utilizando una característica famosa y paradójica de la mecánica cuántica conocida como efecto Einstein-Podolsky-Rosen. Encontraron una manera de escanear parte de la información del objeto teletransportado A, y transferir la parte restante no verificada, mediante el efecto mencionado, a otro objeto C, que nunca había estado en contacto con A.
Posteriormente, aplicando una influencia a C que depende de la información escaneada, es posible introducir C en el estado A antes del escaneo. A mismo ya no se encuentra en ese estado, habiendo sido completamente cambiado por el proceso de escaneo, por lo que lo que se ha logrado es la teletransportación y no la replicación.
Lucha por el alcance
- La primera teletransportación cuántica fue realizada en 1997 casi simultáneamente por científicos de la Universidad de Innsbruck y la Universidad de Roma. Durante el experimento, el fotón polarizado original y uno del par de fotones entrelazados se cambiaron de tal manera que el segundo fotón recibió la polarización del original. En este caso, ambos fotones estaban a cierta distancia el uno del otro.
- En 2012 tuvo lugar otra teletransportación cuántica (China, Universidad de Ciencia y Tecnología) a través de un lago de alta montaña a una distancia de 97 km. Un equipo de científicos de Shanghai, dirigido por Huang Yin, logró desarrollar un mecanismo de guía que permitió apuntar con precisión al rayo.
- En septiembre del mismo año se llevó a cabo una teletransportación cuántica récord de 143 km. Científicos austriacos de la Academia de Ciencias de Austria y de la Universidad de Viena, dirigidos por Anton Zeilinger, han transferido con éxito estados cuánticos entre las dos islas canarias de La Palma y Tenerife. El experimento utilizó dos líneas de comunicación óptica en el espacio libre, cuántica y clásica, un par de fotones fuente entrelazados con polarización no correlacionada en frecuencia, detectores de fotón único de ruido ultra bajo y sincronización de reloj acoplado.
- En 2015, investigadores del americano Instituto Nacional Los estándares y tecnologías transmitieron por primera vez información a una distancia de más de 100 km a través de fibra óptica. Esto fue posible gracias a los detectores monofotónicos creados en el instituto utilizando nanocables superconductores de siliciuro de molibdeno.
Está claro que aún no existe un sistema o tecnología cuántica ideal y que los grandes descubrimientos del futuro aún están por llegar. Sin embargo, se puede intentar identificar posibles candidatos en aplicaciones específicas de teletransportación. Una hibridación adecuada de ellos, siempre que exista un marco y métodos compatibles, puede proporcionar el futuro más prometedor para la teletransportación cuántica y sus aplicaciones.
Distancias cortas
La teletransportación a distancias cortas (hasta 1 m) como subsistema de la computación cuántica es prometedora en dispositivos semiconductores, el mejor de los cuales es el circuito QED. En particular, los qubits transmon superconductores pueden garantizar una teletransportación determinista y de alta precisión en un chip. También permiten la alimentación directa en tiempo real, lo que parece problemático en los chips fotónicos. Además, proporcionan una arquitectura más escalable y una mejor integración de las tecnologías existentes en comparación con enfoques anteriores, como los iones atrapados. Actualmente, el único inconveniente de estos sistemas parece ser su limitado tiempo de coherencia (<100 мкс). Эта проблема может быть решена с помощью интегрирования схемы QED с полупроводниковыми спин-ансамблевыми ячейками памяти (с азотно-замещенными вакансиями или легированными редкоземельными элементами кристаллами), которые могут обеспечить длительное время когерентности для квантового хранения данных. В настоящее время данная реализация является предметом приложения больших усилий научного сообщества.
comunicación de la ciudad
Las comunicaciones de teletransportación a escala urbana (de varios kilómetros) podrían desarrollarse utilizando modos ópticos. Con pérdidas suficientemente bajas, estos sistemas proporcionan altas velocidades y ancho de banda. Se pueden ampliar desde implementaciones de escritorio hasta sistemas de rango medio que funcionan por aire o fibra, con posible integración con memoria cuántica de conjunto. Se pueden lograr distancias más largas pero velocidades más bajas utilizando un enfoque híbrido o desarrollando buenos repetidores basados en procesos no gaussianos.
Comunicación de larga distancia
La teletransportación cuántica a larga distancia (más de 100 km) es un área activa, pero todavía adolece de un problema abierto. Los qubits de polarización son el mejor medio para la teletransportación de baja velocidad a través de largos enlaces de fibra óptica y por aire, pero el protocolo actualmente es probabilístico debido a una detección incompleta de Bell.
Aunque la teletransportación probabilística y el entrelazamiento son aceptables para problemas como la destilación por entrelazamiento y la criptografía cuántica, esto es claramente diferente de la comunicación, en la que la información de entrada debe preservarse por completo.
Si aceptamos esta naturaleza probabilística, entonces la implementación de satélites está al alcance de la tecnología moderna. Además de la integración de métodos de seguimiento, el principal problema son las elevadas pérdidas provocadas por la dispersión del haz. Esto se puede superar en una configuración en la que el entrelazamiento se distribuya desde el satélite hasta los telescopios terrestres de gran apertura. Suponiendo una apertura del satélite de 20 cm a 600 km de altitud y una apertura del telescopio de 1 m en tierra, podemos esperar unos 75 dB de pérdida en el enlace descendente, que es inferior a los 80 dB de pérdida a nivel del suelo. Las implementaciones tierra-satélite o satélite-satélite son más complejas.
memoria cuántica
El uso futuro de la teletransportación como parte de una red escalable depende directamente de su integración con la memoria cuántica. Este último debe tener una excelente interfaz radiación-materia, precisión de escritura y lectura, tiempo y rendimiento de almacenamiento, alta velocidad y capacidad de almacenamiento en términos de eficiencia de conversión. En primer lugar, esto permitirá el uso de repetidores para extender la comunicación mucho más allá de la transmisión directa mediante códigos de corrección de errores. El desarrollo de una buena memoria cuántica permitiría no sólo distribuir el entrelazamiento a través de redes y comunicaciones de teletransportación, sino también procesar de manera coherente la información almacenada. En última instancia, esto podría convertir la red en una red distribuida globalmente o en la base de una futura Internet cuántica.
Desarrollos prometedores
Los conjuntos atómicos se han considerado tradicionalmente atractivos debido a su eficiente conversión de materia ligera y su vida útil de milisegundos, que puede alcanzar los 100 ms, necesaria para la transmisión de luz a escala global. Sin embargo, hoy en día se esperan desarrollos más prometedores en los sistemas basados en semiconductores, donde una excelente memoria cuántica de conjunto de espín se integra directamente con la arquitectura de circuito QED escalable. Esta memoria no solo puede extender el tiempo de coherencia del circuito QED, sino que también proporciona una interfaz óptica-microondas para la interconversión de fotones de microondas de chips y telecomunicaciones ópticas.
Por lo tanto, los futuros descubrimientos de los científicos en el campo de Internet cuántico probablemente se basarán en la comunicación óptica de larga distancia junto con nodos semiconductores para procesar información cuántica.
En junio de 2013, un grupo de físicos liderados por Eugene Polzik logró realizar un experimento sobre el teletransporte determinista del espín colectivo de 10 12 átomos de cesio a lo largo de medio metro. Este trabajo hizo la portada. Física de la naturaleza. Por qué este es un resultado realmente importante, cuáles fueron las dificultades experimentales y, finalmente, qué es la "teletransportación cuántica determinista", le dijo a Lenta.ru Eugene Polzik, profesor y miembro del comité ejecutivo del Centro Cuántico Ruso (RCC). .
"Lenta.ru": ¿Qué es la "teletransportación cuántica"?
Para comprender en qué se diferencia la teletransportación cuántica de lo que vemos, por ejemplo, en la serie Star Trek, es necesario comprender una cosa simple. Nuestro mundo está diseñado de tal manera que si queremos aprender algo sobre cualquier cosa, en los detalles más pequeños siempre cometeremos errores. Si, digamos, tomamos un átomo ordinario, entonces no podremos medir simultáneamente la velocidad del movimiento y la posición de los electrones en él (esto es lo que se llama el principio de incertidumbre de Heisenberg). Es decir, el resultado no se puede representar como una secuencia de ceros y unos.
En mecánica cuántica, sin embargo, la pregunta apropiada es: incluso si el resultado no se puede escribir, ¿quizás aún se pueda transmitir? Este proceso de transferir información más allá de la precisión permitida por las mediciones clásicas se llama teletransportación cuántica.
¿Cuándo apareció por primera vez la teletransportación cuántica?
Eugene Polzik, profesor del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague (Dinamarca), miembro del comité ejecutivo del Centro Cuántico Ruso
En 1993, seis físicos (Bennett, Brossard y otros) escribieron en Cartas de revisión física artículo (pdf), en el que idearon una terminología maravillosa para la teletransportación cuántica. También es destacable que esta terminología haya tenido desde entonces un impacto extremadamente positivo en el público. En su trabajo, el protocolo de transferencia de información cuántica se describió de forma puramente teórica.
En 1997 se llevó a cabo la primera teletransportación cuántica de fotones (de hecho, hubo dos experimentos: los grupos de Seillinger y De Martini; simplemente se cita más a Seillinger). En su trabajo, teletransportaron la polarización de los fotones: la dirección de esta polarización es una cantidad cuántica, es decir, una cantidad que adquiere diferentes valores con diferentes probabilidades. Al final resultó que, este valor no se puede medir, pero sí se puede realizar la teletransportación.
Esto es lo que hay que tener en cuenta: en los experimentos de Seillinger y De Martini, la teletransportación era probabilística, es decir, funcionaba con cierta probabilidad de éxito. Consiguieron alcanzar una probabilidad de no menos del 67 (2/3) por ciento, lo que en ruso se llama apropiadamente el límite clásico.
La teletransportación en cuestión se llama probabilística. En 1998, en Caltech hicimos lo que llamamos teletransportación determinista. Teletransportamos la fase y amplitud del pulso de luz. Como dicen los físicos, al igual que la velocidad y la ubicación del electrón, son "variables no conmutantes" y, por lo tanto, obedecen al ya mencionado principio de Heisenberg. Es decir, no se permiten mediciones simultáneas.
Se puede pensar en un átomo como un pequeño imán. La dirección de este imán es la dirección del giro. La orientación de dicho "imán" se puede controlar mediante un campo magnético y luz. Los fotones, partículas de luz, también tienen un espín, que también se llama polarización.
¿Cuál es la diferencia entre teletransportación probabilística y determinista?
Para explicarlo, primero necesitamos hablar un poco más sobre la teletransportación. Imagine que los puntos A y B contienen átomos, uno cada uno por conveniencia. Queremos teletransportar, digamos, el espín de un átomo de A a B, es decir, llevar el átomo en el punto B al mismo estado cuántico que el átomo A. Como ya dije, para esto un solo canal de comunicación clásico no es suficiente. , por lo que se requieren dos canales: uno clásico y otro cuántico. Utilizamos cuantos de luz como portadores de información cuántica.
Primero hacemos pasar luz a través del átomo B. Se produce un proceso de entrelazamiento que da como resultado que se establezca un enlace entre la luz y el espín del átomo. Cuando la luz llega a A, podemos suponer que se ha establecido un canal de comunicación cuántica entre los dos puntos. La luz que pasa a través de A lee la información del átomo y luego la luz es captada por los detectores. Es este momento el que puede considerarse el momento de la transmisión de información a través de un canal cuántico.
Ahora solo queda transferir el resultado de la medición a través del canal clásico a B, para que, a partir de estos datos, puedan realizar algunas transformaciones en el espín del átomo (por ejemplo, cambiar el campo magnético). Como resultado, en el punto B el átomo recibe el estado de espín del átomo A. Se completa la teletransportación.
En realidad, sin embargo, los fotones que viajan a lo largo de un canal cuántico se pierden (por ejemplo, si este canal es una fibra óptica normal). La principal diferencia entre teletransportación probabilística y determinista radica precisamente en la actitud ante estas pérdidas. Al probabilístico no le importa cuántos se perdieron allí: si de un millón de fotones llegó al menos uno, entonces ya está bien. En este sentido, por supuesto, es más adecuado para enviar fotones a largas distancias ( Actualmente el récord es de 143 kilómetros - aprox. "Cintas.ru"). La teletransportación determinista tiene una peor actitud hacia las pérdidas; en términos generales, cuanto mayores son las pérdidas, peor es la calidad de la teletransportación, es decir, en el extremo receptor del cable el resultado no es exactamente el estado cuántico original, pero funciona siempre. para decirlo más o menos, presionas el botón.
El estado entrelazado de la luz y los átomos es esencialmente el estado entrelazado de sus espines. Si los espines de, digamos, un átomo y un fotón están entrelazados, entonces las mediciones de sus parámetros, como dicen los físicos, se correlacionan. Esto significa que, por ejemplo, si se midió que el espín de un fotón era hacia arriba, entonces el espín del átomo sería hacia abajo; si el espín del fotón se dirige hacia la derecha, entonces el espín del átomo se dirigirá hacia la izquierda, y así sucesivamente. El truco es que antes de la medición, ni el fotón ni el átomo tienen una dirección de giro específica. ¿Cómo es que a pesar de esto, están correlacionados? Aquí es donde deberíamos empezar a “ marearnos por la mecánica cuántica”, como decía Niels Bohr.
Eugenio Polzik
¿Y en qué se diferencian sus áreas de aplicación?
Probabilístico, como dije, es adecuado para transmitir datos a largas distancias. Digamos que si en el futuro queremos construir una Internet cuántica, necesitaremos un teletransporte de este tipo. En cuanto al determinista, puede resultar útil para teletransportar algunos procesos.
Aquí debemos aclarar de inmediato: ahora no existe un límite tan claro entre estos dos tipos de teletransportación. Por ejemplo, en el Centro Cuántico Ruso (y no solo allí), se están desarrollando sistemas de comunicación cuántica "híbridos", donde se utilizan parcialmente enfoques probabilísticos y parcialmente deterministas.
En nuestro trabajo, la teletransportación del proceso fue, ya sabes, estroboscópica; todavía no estamos hablando de teletransportación continua.
¿Entonces este es un proceso discreto?
Sí. De hecho, la teletransportación estatal, naturalmente, solo puede ocurrir una vez. Una de las cosas que prohíbe la mecánica cuántica es la clonación de estados. Es decir, si teletransportaste algo, lo destruiste.
Cuéntenos qué pudo hacer su grupo.
Teníamos un conjunto de átomos de cesio y teletransportamos el giro colectivo del sistema. Nuestro gas estaba bajo la influencia de un láser y un campo magnético, por lo que los espines de los átomos estaban orientados aproximadamente de la misma manera. Un lector no preparado puede imaginarlo de esta manera: nuestro colectivo es una gran aguja magnética.
La flecha tiene una incertidumbre de dirección (esto significa que los espines están orientados “aproximadamente” igual), la misma de Heisenberg. Es imposible medir con mayor precisión la dirección de esta incertidumbre, pero teletransportar la posición es bastante posible. La magnitud de esta incertidumbre es uno por raíz cuadrada del número de átomos.
Es importante hacer aquí una digresión. Mi sistema favorito es un gas de átomos a temperatura ambiente. El problema de este sistema es que a temperatura ambiente los estados cuánticos se desmoronan rápidamente. En nuestro país, sin embargo, estos estados de giro duran mucho tiempo. Y lo logramos gracias a la cooperación con científicos de San Petersburgo.
Desarrollaron recubrimientos que científicamente se denominan recubrimientos de alquenos. En esencia, es algo muy parecido a la parafina. Si se rocía gas con un recubrimiento de este tipo en el interior de una celda de vidrio, las moléculas de gas vuelan (a una velocidad de 200 metros por segundo) y chocan contra las paredes, pero no sucede nada con su giro. Pueden soportar alrededor de un millón de colisiones como ésta. Tengo esta representación visual de este proceso: la cubierta es como todo un bosque de enredaderas, muy grande, y para que la espalda se deteriore hay que darle la espalda a alguien. Y allí es todo tan grande y conectado que no hay nadie a quien pasárselo, así que él entra allí, se tambalea y sale volando, y no le sucede nada. Empezamos a trabajar con estos recubrimientos hace unos 10 años. Ahora se han mejorado y se ha demostrado que también se pueden utilizar en el campo cuántico.
Entonces, volvamos a nuestros átomos de cesio. Estaban a temperatura ambiente (esto también es bueno porque los recubrimientos de alquenos no pueden soportar altas temperaturas y, para obtener gas, generalmente es necesario evaporar algo, es decir, calentarlo).
Teletransportaste el giro medio metro. ¿Es una distancia tan corta una limitación fundamental?
Por supuesto que no. Como dije, la teletransportación determinista no tolera pérdidas, por lo que nuestros pulsos láser atravesaron el espacio abierto; si los devolviéramos a la fibra óptica, invariablemente habría algún tipo de pérdida. En términos generales, si se practica futurismo allí, es muy posible disparar el mismo rayo a un satélite, que enviará la señal a donde sea necesaria.
¿Dijiste que tienes planes para una teletransportación continua?
Sí. Sólo aquí la continuidad debe entenderse en varios sentidos. Por un lado, tenemos 10 12 átomos en nuestro trabajo, por lo que la discreción de la dirección del espín colectivo es tan pequeña que podemos describir el espín con variables continuas. En este sentido, nuestra teletransportación fue continua.
En cambio, si el proceso cambia en el tiempo, entonces podemos hablar de su continuidad en el tiempo. Entonces puedo hacer lo siguiente. Este proceso tiene, digamos, algún tipo de constante de tiempo; digamos que ocurre en milisegundos, así que lo tomé y lo dividí en microsegundos, y "boom" después del primer microsegundo que me teletransporté; luego hay que devolverlo a su estado original.
Cada uno de estos teletransportes, por supuesto, destruye el estado de teletransportado, pero la excitación externa que provoca este proceso no afecta. Por lo tanto, en esencia, estamos teletransportando una determinada integral. Podemos "ampliar" esta integral y aprender algo sobre las excitaciones externas. Se acaba de publicar un artículo teórico que propone todo esto. Cartas de revisión física.
De hecho, este tipo de teletransportación de ida y vuelta se puede utilizar para cosas muy profundas. Algo está sucediendo aquí, y algo está sucediendo aquí, y con la ayuda del canal de teletransportación puedo simular la interacción, como si estos dos giros, que nunca han interactuado entre sí, en realidad estuvieran interactuando. Es decir, una simulación tan cuántica.
Y la simulación cuántica es lo que todo el mundo está buscando ahora. En lugar de factorizar millones de dígitos, puedes simplemente simular. Recuerda la misma onda D.
¿La teletransportación determinista podría usarse en computadoras cuánticas?
Quizás, pero entonces sería necesario teletransportar los qubits. Esto requerirá todo tipo de algoritmos de corrección de errores. Y recién están comenzando a desarrollarse.
teletransportación) y en qué se diferencia de la popular “teletransportación” en la ciencia ficción.La teletransportación cuántica no transfiere energía ni materia a distancia. El fantástico concepto de teletransportación surge de una interpretación específica del experimento: “el estado inicial de la partícula A se destruye después de todo lo que ha sucedido. Es decir, el Estado no fue copiado, sino trasladado de un lugar a otro”.
Descripción del experimento
ver tambiénNotas
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A. SHISHLOVA. Basado en materiales de las revistas "Nature" y "Science news".
En experimentos físicos sutiles, parece que fue posible hacer lo que los escritores de ciencia ficción más atrevidos consideraban nada más que una fantasía poco realista: al estudiar una de las partículas que alguna vez estuvieron unidas, se puede obtener información instantáneamente (¡a una velocidad superluminal!) desde cualquier distancia. sobre el estado de otra partícula.
Los héroes de las películas y novelas de ciencia ficción dominan desde hace mucho tiempo la teletransportación, una forma conveniente de moverse instantáneamente en el tiempo y el espacio. En cuanto a la vida real, esto sigue siendo sólo un sueño.
Sin embargo, en 1935, Albert Einstein, junto con sus colegas B. Podolsky y N. Rosen, propusieron un experimento sobre la teletransportación, si no de materia, sí de información. Este método de comunicación superluminal se llama "Paradoja EPR".
La esencia de la paradoja es la siguiente. Son dos partículas que interactúan durante algún tiempo formando un solo sistema. Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, este sistema acoplado puede describirse mediante una determinada función de onda. Cuando la interacción se detiene y las partículas vuelan muy lejos, seguirán siendo descritas por la misma función. Pero el estado de cada partícula individual se desconoce en principio: esto se desprende de la relación de incertidumbre. Y sólo cuando uno de ellos llega al receptor, que registra sus parámetros, en el otro aparecen (¡aparecen, no se conocen!) las características correspondientes. Es decir, es posible una "transferencia" instantánea del estado cuántico de una partícula a una distancia ilimitada. No se produce teletransportación de la propia partícula ni transferencia de masa.
Un proyectil que se rompe en dos se comporta de manera similar: si estaba estacionario antes de la explosión, el impulso total de sus fragmentos es cero. Al “atrapar” un fragmento y medir su impulso, se puede determinar instantáneamente la magnitud del impulso del segundo fragmento, sin importar qué tan lejos vuele.
Hoy en día, al menos dos grupos científicos, investigadores austriacos de la Universidad de Innsbruck e investigadores italianos de la Universidad La Sapienza de Roma, afirman haber conseguido teletransportar las características de un fotón en condiciones de laboratorio.
Los experimentos de Innsbruck transmitieron “mensajes” en forma de fotones polarizados de radiación ultravioleta. Este fotón interactuó en un mezclador óptico con uno de un par de fotones acoplados. Entre ellos, a su vez, surgió una conexión mecánica cuántica que condujo a la polarización del nuevo par. Así, los experimentadores lograron un resultado muy interesante: aprendieron a unir fotones que no tienen un origen común. Esto abre la posibilidad de realizar toda una clase de experimentos fundamentalmente nuevos.
Como resultado de la medición, el segundo fotón del par acoplado original también adquirió una polarización fija: se transmitió una copia del estado original del "fotón mensajero" al fotón distante. La parte más difícil fue demostrar que el estado cuántico en realidad se teletransportaba: esto requería saber exactamente cómo estaban colocados los detectores para medir la polarización global y requerir una cuidadosa sincronización de ellos.
En lugar de utilizar un "fotón mensajero" separado, los investigadores italianos propusieron considerar simultáneamente dos características de cada partícula unida: polarización y dirección del movimiento. Esto permite describirlas teóricamente como partículas separadas y al mismo tiempo, tomando medidas solo con la primera partícula, obtener las características de la segunda sin tocarla, para realizar la teletransportación.
Habiendo logrado el éxito en la teletransportación de fotones, los experimentadores ya planean trabajar con otras partículas: electrones, átomos e incluso iones. Esto permitirá la transferencia de un estado cuántico de una partícula de vida corta a una más estable. De esta forma, será posible crear dispositivos de almacenamiento donde la información aportada por los fotones se almacenaría en iones aislados del medio ambiente.
Después de la creación de métodos confiables de teletransportación cuántica, surgirán requisitos previos reales para la creación de sistemas de computación cuántica (ver "Ciencia y vida" No. 6, 1996). La teletransportación proporcionará una transmisión y almacenamiento confiable de información en un contexto de poderosa interferencia, cuando todos los demás métodos son ineficaces, y puede usarse para la comunicación entre varias computadoras cuánticas. Además, los propios métodos desarrollados por los investigadores son de gran importancia para futuros experimentos en mecánica cuántica, para probar y perfeccionar varias teorías físicas modernas.
Un grupo de científicos de la Academia de Ciencias de China realizó un experimento satelital sobre la transferencia de estados cuánticos entre pares de fotones entrelazados (la llamada teletransportación cuántica) a una distancia récord de más de 1200 km.
El fenómeno (o entrelazamiento) ocurre cuando los estados de dos o más partículas son interdependientes (correlacionados), que pueden separarse a distancias arbitrariamente grandes, pero al mismo tiempo continúan “sintiéndose” entre sí. Medir el parámetro de una partícula conduce a la destrucción instantánea del estado entrelazado de otra, lo cual es difícil de imaginar sin comprender los principios de la mecánica cuántica, especialmente porque las partículas (esto fue especialmente mostrado en experimentos sobre la violación de las llamadas desigualdades de Bell) no tienen parámetros ocultos en los que se almacene información sobre el estado del "compañero" y, al mismo tiempo, un cambio instantáneo de estado no conduce a una violación del principio de causalidad y no permite transmitir información útil de esta manera.
Para transmitir información real, es necesario además involucrar partículas que se muevan a una velocidad que no exceda la de la luz. Las partículas entrelazadas pueden ser, por ejemplo, fotones que tienen un progenitor común y el parámetro dependiente es, digamos, su espín.
No sólo los científicos dedicados a la física fundamental, sino también los ingenieros que diseñan comunicaciones seguras están mostrando interés en transmitir los estados de partículas entrelazadas a distancias cada vez mayores y en las condiciones más extremas. Se cree que el fenómeno del entrelazamiento de partículas nos proporcionará, en principio, canales de comunicación imposibles de piratear en el futuro. “Protección” en este caso será la inevitable notificación a los participantes de la conversación de que un tercero ha intervenido en su comunicación.
Prueba de ello serán las leyes inviolables de la física: el colapso irreversible de la función de onda.
Ya se han creado prototipos de dispositivos para implementar dicha comunicación cuántica segura, pero también están surgiendo ideas para comprometer el funcionamiento de todos estos "canales absolutamente seguros", por ejemplo, mediante mediciones cuánticas débiles reversibles, por lo que aún no está claro si la criptografía cuántica funcionará. podremos abandonar la fase de pruebas de prototipos sin saber si todos los desarrollos estarán condenados de antemano y serán inadecuados para su uso práctico.
Otro punto: la transmisión de estados entrelazados hasta ahora sólo se ha realizado a distancias que no superan los 100 km, debido a la pérdida de fotones en la fibra óptica o en el aire, ya que la probabilidad de que al menos una parte de los fotones llegue al El detector se vuelve extremadamente pequeño. De vez en cuando aparecen informes sobre el próximo logro en este camino, pero aún no es posible cubrir todo el mundo con tal conexión.
Así, a principios de este mes, los físicos canadienses anunciaron intentos exitosos de comunicarse a través de un canal cuántico seguro con un avión, pero estaba a sólo 3-10 km del transmisor.
El llamado protocolo de repetidor cuántico se reconoce como una de las formas de mejorar radicalmente la propagación de la señal, pero su valor práctico sigue siendo cuestionable debido a la necesidad de resolver una serie de cuestiones técnicas complejas.
Otro enfoque es precisamente el uso de tecnología satelital, ya que el satélite puede permanecer en la línea de visión de diferentes lugares muy distantes de la Tierra al mismo tiempo. La principal ventaja de este enfoque sería que la mayor parte del recorrido del fotón estaría en un vacío virtual, con una absorción casi nula y sin decoherencia.
Para demostrar la viabilidad de los experimentos con satélites, los expertos chinos realizaron pruebas preliminares en tierra que demostraron una propagación bidireccional exitosa de pares de fotones entrelazados a través de un medio abierto a distancias de 600 m, 13 y 102 km con una pérdida efectiva de canal de 80 dB. También se han llevado a cabo experimentos sobre la transferencia de estados cuánticos en plataformas móviles en condiciones de elevadas pérdidas y turbulencias.
Después de estudios de viabilidad detallados con la participación de científicos austriacos, se desarrolló y lanzó un satélite de 100 millones de dólares el 16 de agosto de 2016 desde el Centro de Lanzamiento de Satélites de Jiuquan en el desierto de Gobi utilizando un vehículo de lanzamiento 2D Gran Marcha a una órbita a una altitud de 500 km. .
El satélite recibió el nombre de "Mo Tzu" en honor al antiguo filósofo chino del siglo V a. C., fundador del moísmo (la doctrina del amor universal y el consecuencialismo estatal). Durante varios siglos en China, el mohismo compitió exitosamente con el confucianismo hasta que este último fue adoptado como ideología estatal.
La misión Mozi cuenta con el apoyo de tres estaciones terrestres: Delinghe (provincia de Qinghai), Nanshan en Urumqi (Xinjiang) y el Observatorio GaoMeiGu (GMG) en Lijiang (provincia de Yunnan). La distancia entre Delinghe y Lijian es de 1203 km. La distancia entre el satélite en órbita y estas estaciones terrestres oscila entre 500 y 2000 km.
Como los fotones entrelazados no pueden "amplificarse" simplemente como las señales clásicas, fue necesario desarrollar nuevas técnicas para reducir la atenuación en los enlaces de transmisión entre la Tierra y los satélites. Para lograr la eficiencia de comunicación requerida, era necesario lograr simultáneamente una divergencia mínima del haz y una orientación de los detectores de alta velocidad y alta precisión.
Habiendo desarrollado una fuente cósmica ultraluminosa de entrelazamiento de dos fotones y tecnología APT (adquisición, apuntamiento y seguimiento) de alta precisión, el equipo estableció un "acoplamiento cuántico" entre pares de fotones separados por 1203 km, los científicos realizaron el llamado La prueba de Bell para comprobar las violaciones de localidad (la capacidad de influir instantáneamente en el estado de partículas remotas) y obtuvo un resultado con una significación estadística de cuatro sigma (desviaciones estándar).
Diagrama de la fuente de fotones del satélite. El espesor del cristal KTiOPO4 (PPKTP) es de 15 mm. Un par de espejos cóncavos fuera del eje enfocan el láser de bombeo (PL) en el centro del cristal PPKTP. La salida de un interferómetro Sagnac utiliza dos espejos dicromáticos (DM) y filtros para separar los fotones de señal del láser de bombeo. Se utilizan dos espejos adicionales (PI), controlados remotamente desde el suelo, para ajustar con precisión la dirección del haz para una eficiencia óptima de recolección del haz. QWP - sección de fase de cuarto de onda; HWP - sección de fase de media onda; PBS - divisor de haz polarizador.
En comparación con los métodos anteriores que utilizaban las fibras de telecomunicaciones comerciales más comunes, la eficiencia de la conexión satelital fue mucho mayor, lo que, según los autores del estudio, abre el camino a aplicaciones prácticas que antes no estaban disponibles en la Tierra.