Quantum-teleportaatio: kaikki mitä halusi tietää, mutta pelkäsit kysyä

Kaksi mielenkiintoista asiaa tapahtui viime kuussa.tapahtumia kvantitekniikan alalla: Kiinalaiset tutkijat lähettivät valon fotoneja maa-asemalta avaruussatelliitille ja kvanttifysiikan johtavien asiantuntijoiden vuosikonferenssi pidettiin Moskovassa. Business Insider onnistui saamaan kiinni tohtori Eugene Polzikin Niels Bohr-instituutista, joka on yksi kvantti-teleportaation johtavista asiantuntijoista, ja kysyä häntä monista kysymyksistä, mukaan lukien kiinalaisten kollegoidensa erinomainen menestys.

"Tällainen teleportaatio suoritettiin vuonna 2004laboratorio-olosuhteissa vuodesta 1997 lähtien, kiinalaiset tutkijat onnistuivat kuitenkin saavuttamaan tämän hämmästyttävän teknologisen vaikutuksen suurella etäisyydellä ”, sanoi Polzik.

Vuonna 2012 ryhmä eurooppalaisia ​​tutkijoita menestyiteleportoidut fotonit kahden Kanariansaarten välillä. Lähettävien ja vastaanottavien laitteiden välillä etäisyys oli 141 kilometriä. Kiinalaiset tutkijat onnistuivat purkamaan tämän ennätysten heinäkuussa, kun he kuljettivat fotoneja onnistuneesti yli 500 kilometrin etäisyydelle.

Olemme jo pitkään haaveilleet samanlaisesta tekniikastaStar Trek, vaikka intuitioimme on aina sanonut, että teleportointi on periaatteessa mahdotonta. Todellisen maailman fysiikka, jossa asumme päivittäin, on kuitenkin vähän samanlainen kuin kvantimaailman fysiikka. Täältä kalliolta laskevan kiven ja hallitsevien elektronien ja yksittäisten valon fotonien lait ovat täysin erilaisia ​​kuin mitä olemme tottuneet näkemään. Siksi tällaisessa omituisessa maailmassa melkein kaikki on mahdollista, myös teleportointi. Kuinka selvittää sen kaiken? Aloita kvantti takertuminen.

Mikä on kvantti sotkeutuminen?

Joskus kaksi kvanttihiukkasta osoittautuupeili-kytketty. Mitä tapahtuu yhdelle näistä hiukkasista, sama tapahtuu toiselle. Vaikka ne ovat erotettu toisistaan ​​suurilla etäisyyksillä. Ne ovat edelleen kaksi erillistä kohdetta, mutta ne ovat kaikessa identtisiä. Kun kaksi hiukkasta erottaa tilat toisistaan, niin tällaisia ​​hiukkasia kutsutaan takertuviksi.

"Oletetaan, että olen luonut pari takertuneita fotoneja", Crawler selittää.

”Jätän yhden kanssani, ja toisen lähetän kanssanikäyttämällä laseria avaruussatelliitissa kiertoradalla, toivoen, että fotoni saavuttaa määränpäähänsä. Teleportointia voidaan pitää onnistuneena vain, kun kahden fotonin takertumistila on jaettu lähettävän ja vastaanottavan aseman kesken. "

Prosessin tärkein tekninen monimutkaisuusTeleportointi on fotonin siirtoa tietyllä etäisyydellä takertuneesta hiukkaspartnerista. Kiinalaisen kokeen tapauksessa yksi fotoni oli laboratoriossa maapallolla, ja toinen lähetettiin onnistuneesti kiertävälle satelliitille. Maan fotonilla tapahtuneet muutokset osana tutkijoiden manipulaatioita ovat vaikuttaneet myös avaruudessa olevaan fotoniin - tämä on puhdasta kvantiteleportaatiota.

Kuinka ymmärtää onko satelliitti vastaanottanut halutun fotonin, ei mikään satunnainen valopartikkeli?

Tämä on suhteellisen helppo tehdä ansiostaprosessi, jota kutsutaan spektrisuodatukseksi. Sen avulla tutkijat voivat tunnistaa ja seurata yksittäisiä valon fotoneja, merkitsemällä ne yksilöivällä tunnistusnumerolla.

”Tiedät fotonisi, jonka sinä oletlähetä, tiedät sen suunnan. Satelliitti ohjataan alkuperälähteelle, joka sijaitsee maapallolla. Jos sinulla on erittäin hyvät optiset laitteet molemmilla puolilla, tämä optiikka näkee vain lähteen eikä mitään muuta ”, Polzik jatkaa.

Spektrisuodatusmenetelmä on välinpitämätön ”kohinalle” muiden fotonien muodossa. Esimerkiksi saman kokeilun aikana Kanariansaarilla siirto tapahtui selkeällä aurinkoisella taivaalla.

Miljoonat fotonit siirrettiin satelliittiin, mutta vain 900 saavutti määränpäähän. Miksi?

Mitä enemmän yrität lähettää sekavaksifotoni, sitä vähemmän tehokkaaksi tästä prosessista tulee. Lisäksi maapallon ilmapiiri on jatkuvassa liikkeessä, joten fotonien menettäminen matkalla avaruuteen on helppoa.

”Sinäkin, vaikka ei olisi ollut ilmapiiriävalosäde on edelleen tarkennettava siten, että se on suunnattu satelliittiin. Jos loistat laserosoittimella kämmenellesi, valopiste on pieni, mutta poista vain laser ja piste suurenee - tämä on diffraktion laki ”, Polzik sanoo.

Maapallosta valon on melko vaikea murtautua avaruuteen (kiertävän satelliitin optiseen vastaanottimeen). Se on vääristynyt suuresti, joten suurin osa fotoneista ei yksinkertaisesti mene minnekään.

”Onnistunut teleportaatio on mahdollista vainerittäin lyhyt aika. Yleisessä mielessä tämä on hyvin epäkäytännöllistä, mutta silti löytyy tapoja soveltaa tätä tekniikkaa ”, Polzik jatkaa.

Onko kvantti-teleportaatio välitön tiedonsiirtokyky?

Ei oikeasti. Siirrettävät esineet eivät katoa, ja ne ilmestyvät sitten takaisin muualle. Tutkijat käyttävät takertumista tiedon välittämiseen fotonin kvantitilasta toiseen. Ilman näitä tietoja fotonin on fyysisesti katettava koko etäisyys lähettimen ja vastaanottimen välillä. Ja jälleen kerran, tietoa ei välitetä välittömästi. Tämä on mahdollista vain, kun lähettäjä mittaa fotoninsa kvantitilaa muuttaen siten fotonin tilaa vastaanottimessa. Kvanttisen takertumisen vuoksi olennaisesti yhdestä fotonista "tulee" toinen fotoni.

Joten mistä tämä kaikki on?

Kvanttiteleportaatio voi todistaa konseptinmahdollisuudet luoda erittäin turvallinen globaali viestintäverkko. Avaimena lukon avaamiseen kvanttiverkon välityksellä lähetetty viesti tavoittaa vain sen vastaanottajan, jolla on oikein takertunut fotoni, jonka avulla se voi vastaanottaa ja lukea tämän viestin.

Albert Einstein kutsui kerran kvantiksitakertuminen ”kauhistuttavalla pitkän kantaman toiminnalla”, mutta tämä pitkän kantaman toiminta on perustavanlaatuinen komponentti, jonka takia kaikki toimii. Ja yhtenä päivänä hänestä voi tulla turvallisen viestinnän tulevaisuuden kuljettaja.