Quantenteleportation ist die Teleportation nicht physischer Objekte, nicht von Energie, sondern von Zuständen. In diesem Fall werden die Zustände jedoch so übertragen, dass dies in der klassischen Darstellung nicht möglich ist. In der Regel ist eine Vielzahl umfassender Messungen erforderlich, um Informationen über ein Objekt zu übertragen. Aber sie zerstören den Quantenzustand, und wir haben keine Möglichkeit, ihn erneut zu messen. Quantenteleportation wird verwendet, um einen bestimmten Zustand zu übertragen, zu übertragen, über minimale Informationen zu verfügen, ohne ihn zu „untersuchen“, ohne zu messen und damit nicht zu verletzen.

Qubits

Qubit - Dies ist der Zustand, der während der Quantenteleportation übertragen wird. Ein Quantenbit überlagert zwei Zustände. Der klassische Zustand befindet sich beispielsweise entweder im Zustand 0 oder im Zustand 1. Der Quantenzustand befindet sich in Überlagerung, und sehr wichtig, bis wir ihn messen, wird er nicht bestimmt. Stellen Sie sich vor, wir hätten ein Qubit von 30% - 0 und 70% - 1. Wenn wir es messen, können wir sowohl 0 als auch 1 erhalten. Man kann nichts in einer Messung sagen. Wenn wir jedoch 100, 1000 solcher identischen Zustände vorbereiten und sie immer wieder messen, können wir diesen Zustand ziemlich genau charakterisieren und verstehen, dass es tatsächlich 30% - 0 und 70% - 1 gab.

Dies ist ein Beispiel für das klassische Abrufen von Informationen. Nachdem der Empfänger eine große Datenmenge empfangen hat, kann er diesen Status neu erstellen. Die Quantenmechanik erlaubt es jedoch nicht, viele Zustände vorzubereiten. Stellen Sie sich vor, wir haben nur eine, einzigartig und es gibt keine zweite. In den Klassikern funktioniert das Übertragen dann nicht. Physikalisch ist dies auch nicht immer möglich. Und in der Quantenmechanik können wir den Verschränkungseffekt nutzen.

Wir verwenden auch das Phänomen der Quanten-Nichtlokalität, dh ein Phänomen, das in der uns bekannten Welt unmöglich ist, so dass dieser Zustand verschwindet und dort auftritt. Das Interessanteste ist außerdem, dass es in Bezug auf dieselben Quantenobjekte einen nichtklonierenden Satz gibt. Das heißt, es ist unmöglich, einen zweiten identischen Zustand zu erzeugen. Einer muss zerstört werden, damit der andere erscheint.

Quantenverschränkung

Was bewirkt Verschränkung? Dies sind speziell vorbereitete zwei Zustände, zwei Quantenobjekte - Qubits. Der Einfachheit halber können Sie Photonen aufnehmen. Wenn diese Photonen über eine große Entfernung verteilt sind, korrelieren sie miteinander. Was bedeutet das? Stellen Sie sich vor, wir haben ein Photonenblau und das andere Grün. Wenn wir sie zerschlagen, geschaut und ich blau geworden bin, bedeutet das, dass Sie grün geworden sind und umgekehrt. Oder wenn Sie eine Schachtel Schuhe nehmen, in der sich ein rechter und ein linker Schuh befinden, ziehen Sie sie leise heraus und tragen Sie einen Schuh zu Ihnen, den anderen zu mir in der Tasche. Also habe ich die Tasche geöffnet, schau: Ich habe die richtige. Sie haben also genau die linke Seite.

Der Quantenfall unterscheidet sich darin, dass der Zustand, der vor der Messung zu mir kam, nicht blau und nicht grün ist - er liegt in einer Überlagerung von blau und grün. Nachdem Sie die Schuhe geteilt haben, ist das Ergebnis bereits vorbestimmt. Während sie die Taschen tragen, sind sie noch nicht geöffnet worden, aber es ist bereits klar, was dort sein wird. Und obwohl Quantenobjekte nicht gemessen wurden, wurde nichts entschieden.

Wenn wir nicht die Farbe, sondern die Polarisation, dh die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes, nehmen, können wir zwei Optionen unterscheiden: vertikale und horizontale Polarisation und + 45 ° - -45 °. Wenn Sie horizontal und vertikal zu gleichen Anteilen zusammenfügen, erhalten Sie + 45 °, wenn Sie einen vom anderen subtrahieren, dann -45 °. Stellen Sie sich nun vor, dass auf die gleiche Weise ein Photon zu mir und ein anderes zu Ihnen kam. Ich sah: es ist vertikal. Sie haben also horizontal. Stellen Sie sich nun vor, ich hätte eine vertikale gesehen, und Sie haben sie diagonal betrachtet, dh Sie haben sie –– + 45 ° oder –45 ° betrachtet. Sie werden mit gleicher Wahrscheinlichkeit sehen, ob dies ein anderes Ergebnis ist. Aber wenn ich diagonal geschaut und + 45 ° gesehen habe, dann weiß ich sicher, dass Sie -45 ° haben.

Das Paradoxon von Einstein - Podolsky - Rosen

Die Quantenverschränkung ist mit den grundlegenden Eigenschaften der Quantenmechanik und dem sogenannten Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon verbunden. Einstein hatte so lange gegen die Quantenmechanik protestiert, weil er glaubte, dass die Natur keine Informationen über den Zustand mit einer Geschwindigkeit übertragen könne, die größer als die Lichtgeschwindigkeit sei. Wir können die Photonen zum Beispiel im Lichtjahr sehr weit ausbreiten und gleichzeitig öffnen. Und wir werden diese Korrelation immer noch sehen.

Tatsächlich verstößt dies jedoch nicht gegen die Relativitätstheorie, da wir mit diesem Effekt immer noch keine Informationen übertragen können. Gemessen entweder vertikales oder horizontales Photon. Aber es ist nicht im Voraus genau bekannt, was es sein wird. Trotz der Tatsache, dass es unmöglich ist, Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen, können Sie durch Verschränkung ein Protokoll der Quantenteleportation implementieren. Woraus besteht es? Ein verwickeltes Photonenpaar wird geboren. Einer geht zum Sender, der andere zum Empfänger. Der Sender misst gemeinsam das Zielphoton, das er senden muss. Und mit einer Wahrscheinlichkeit von ¼ wird er das Ergebnis in Ordnung bringen. Er kann den Empfänger darüber informieren, und der Empfänger stellt in diesem Moment fest, dass er genau den gleichen Zustand hat wie der Sender. Und mit der Wahrscheinlichkeit ¾ erhält er ein anderes Ergebnis - nicht dass eine erfolglose Messung,aber nur ein anderes Ergebnis. In jedem Fall sind dies jedoch nützliche Informationen, die an den Empfänger übermittelt werden können. In drei von vier Fällen muss der Empfänger sein Qubit zusätzlich umdrehen, um den übertragenen Zustand zu erhalten. Das heißt, es werden 2 Informationsbits übertragen, und mit deren Hilfe ist es möglich, einen komplexen Zustand zu teleportieren, dass sie nicht codiert werden können.

Quantenkryptographie

Eine der Hauptanwendungen der Quantenteleportation ist die sogenannte Quantenkryptographie. Die Idee hinter dieser Technologie ist, dass ein einzelnes Photon nicht geklont werden kann. Daher können wir Informationen in diesem einzelnen Photon übertragen, und niemand kann sie duplizieren. Darüber hinaus ändert sich der Zustand des Photons oder kollabiert bei jedem Versuch von jemandem, etwas über diese Informationen herauszufinden. Dementsprechend wird jeder Versuch, diese Informationen von Außenstehenden zu erhalten, bemerkt. Es kann in der Kryptographie zum Schutz von Informationen verwendet werden. Zwar werden keine nützlichen Informationen übertragen, sondern ein Schlüssel, an den es dann klassisch möglich ist, Informationen absolut zuverlässig zu übertragen.

Diese Technologie hat einen großen Nachteil. Tatsache ist, dass es, wie bereits erwähnt, unmöglich ist, eine Kopie eines Photons zu erstellen. Ein gewöhnliches Signal in einer Faser kann verstärkt werden. Für den Quantenfall ist es unmöglich, das Signal zu verstärken, da die Verstärkung einem Abfangjäger entspricht. Im realen Leben, in realen Linien, ist die Übertragung auf eine Entfernung von ungefähr 100 Kilometern begrenzt. Im Jahr 2016 führte das russische Quantenzentrum eine Demonstration nach dem Vorbild der Gazprombank durch, bei der Quantenkryptographie auf 30 Kilometern Faser unter städtischen Bedingungen gezeigt wurde.

Im Labor können wir Quantenteleportation in einer Entfernung von bis zu 327 Kilometern zeigen. Leider sind große Entfernungen unpraktisch, da Photonen in der Faser verloren gehen und die Geschwindigkeit sehr gering ist. Was zu tun ist? Sie können einen Zwischenserver einrichten, der Informationen empfängt, entschlüsselt, dann erneut verschlüsselt und weiter überträgt. So auch zum Beispiel die Chinesen beim Aufbau ihres Netzwerks der Quantenkryptographie. Der gleiche Ansatz wird von den Amerikanern verwendet.

Die Quantenteleportation ist in diesem Fall eine neue Methode, mit der Sie das Problem der Quantenkryptographie lösen und die Entfernung auf Tausende von Kilometern erhöhen können. In diesem Fall wird dasselbe übertragene Photon viele Male teleportiert. Viele Gruppen auf der ganzen Welt arbeiten an dieser Aufgabe.

Quantenspeicher

Stellen Sie sich eine Kette von Teleportationen vor. In jedem der Links gibt es einen Generator von verschränkten Paaren, die sie erstellen und verteilen sollen. Dies ist nicht immer erfolgreich. Manchmal müssen Sie warten, bis ein weiterer Versuch, Paare zu verteilen, erfolgreich ist. Und das Qubit muss einen Ort haben, an dem es auf die Teleportation wartet. Das ist Quantenspeicher.

In der Quantenkryptographie ist dies eine Art Zwischenstation. Solche Stationen werden Quantenrepeater genannt und sind heute eine der Hauptrichtungen für Forschung und Experimente. Dies ist ein beliebtes Thema. In den frühen 2010er Jahren waren Repeater eine sehr entfernte Perspektive, aber jetzt scheint die Aufgabe realisierbar zu sein. Vor allem, weil sich die Technologie ständig weiterentwickelt, auch aufgrund von Telekommunikationsstandards.

Laborexperiment

Wenn Sie in das Labor für Quantenkommunikation kommen, werden Sie viel Elektronik und Glasfaser sehen. Alle Optiken sind Standard-, Telekommunikations- und Laser in kleinen Standardboxen - Chips. Wenn Sie in das Labor von Alexander Lvovsky gehen , wo sie insbesondere teleportieren, sehen Sie einen optischen Tisch, der auf pneumatischen Trägern stabilisiert ist. Das heißt, wenn dieser Tisch, der eine Tonne wiegt, mit einem Finger berührt wird, beginnt er zu schwimmen und zu schwanken. Dies liegt daran, dass die Technik, die Quantenprotokolle implementiert, sehr empfindlich ist. Wenn Sie harte Beine anziehen und herumlaufen, ist dies alles auf die Vibrationen des Tisches zurückzuführen. Das heißt, es ist eine offene Optik, ziemlich große teure Laser. Im Allgemeinen ist dies ein ziemlich sperriges Gerät.

Der Ausgangszustand wird durch einen Laser vorbereitet. Zur Herstellung verschränkter Zustände wird ein nichtlinearer Kristall verwendet, der von einem gepulsten oder CW-Laser gepumpt wird. Aufgrund nichtlinearer Effekte entstehen Photonenpaare. Stellen Sie sich vor, wir haben zwei Energiephotonen - ℏ (2ω), es wird in zwei Energiephotonen umgewandelt - eins - ℏω + ℏω. Diese Photonen werden nur zusammen geboren, ein Photon kann sich nicht zuerst trennen, dann ein anderes. Und sie sind miteinander verbunden (verwirrt) und weisen nicht-klassische Korrelationen auf.

Geschichte und aktuelle Forschung

Im Fall der Quantenteleportation gibt es also einen Effekt, den wir im täglichen Leben nicht beobachten können. Aber es gab ein sehr schönes, fantastisches Bild, das sehr gut zur Beschreibung dieses Phänomens geeignet war, weshalb sie es Quantenteleportation nannten. Wie bereits erwähnt, gibt es hier keinen Moment, in dem das Qubit noch existiert, und dort ist es bereits erschienen. Das heißt, zuerst hier zerstört und erst dann dort erscheint. Dies ist die gleiche Teleportation.

Die Quantenteleportation wurde 1993 theoretisch von einer Gruppe amerikanischer Wissenschaftler unter der Leitung von Charles Bennett vorgeschlagen - dann erschien dieser Begriff. Die erste experimentelle Durchführung wurde 1997 von zwei Gruppen von Physikern in Innsbruck und Rom durchgeführt. Allmählich gelang es Wissenschaftlern, den Staat über eine zunehmende Distanz zu übertragen - von einem Meter auf Hunderte von Kilometern oder mehr.

Jetzt versuchen die Leute, Experimente durchzuführen, die vielleicht in Zukunft die Grundlage für Quanten-Repeater werden. Es wird erwartet, dass wir nach 5-10 Jahren echte Quantenrepeater sehen werden. Die Richtung des Zustandstransfers zwischen Objekten unterschiedlicher Natur entwickelt sich ebenfalls, einschließlich einer hybriden Quantenteleportation wurde im Mai 2016 im Quantum Center im Labor von Alexander Lvovsky durchgeführt. Die Theorie steht auch nicht still. Im selben Quantum Center wird unter der Leitung von Alexei Fedorov ein Teleportationsprotokoll entwickelt, das nicht einseitig, sondern bidirektional ist, so dass mit Hilfe eines Paares gleichzeitig zueinander Staaten teleportiert werden können.

Im Rahmen unserer Arbeit zur Quantenkryptographie wird ein Quantengerät für Verteilung und Schlüssel erstellt, dh wir generieren einen Schlüssel, der nicht abgefangen werden kann. Und dann kann der Benutzer bereits Informationen mit diesem Schlüssel mit dem sogenannten einmaligen Notizblock verschlüsseln. Die neuen Vorteile der Quantentechnologie sollten im nächsten Jahrzehnt aufgezeigt werden. Die Entwicklung von Quantensensoren entwickelt sich. Ihre Essenz ist, dass wir aufgrund von Quanteneffekten zum Beispiel das Magnetfeld und die Temperatur viel genauer messen können. Das heißt, die sogenannten NV-Zentren in Diamanten werden genommen - dies sind winzige Diamanten, sie haben Stickstoffdefekte, die sich als Quantenobjekte verhalten. Sie sind einem gefrorenen Einzelatom sehr ähnlich. Wenn man diesen Defekt betrachtet, kann man außerdem Temperaturänderungen innerhalb einer einzelnen Zelle beobachten. Das heißt, nicht nur die Temperatur unter dem Arm zu messen,und die Temperatur der Organelle in der Zelle.

Das russische Quantenzentrum hat auch ein Spin-Dioden-Projekt. Die Idee ist, dass wir die Antenne nehmen und beginnen können, sehr effizient Energie aus den Hintergrundfunkwellen zu sammeln. Es genügt, sich daran zu erinnern, wie viele Wi-Fi-Quellen sich derzeit in Städten befinden, um zu verstehen, dass viel Funkwellenenergie vorhanden ist. Es kann für tragbare Sensoren verwendet werden (z. B. für einen Blutzuckersensor). Sie benötigen eine konstante Energieversorgung: entweder eine Batterie oder ein System, das Energie sammelt, auch von einem Mobiltelefon. Das heißt, einerseits können diese Probleme mit der vorhandenen Elementbasis mit einer bestimmten Qualität gelöst werden, und andererseits können Sie Quantentechnologien anwenden und dieses Problem noch besser lösen, noch mehr Miniatur.

Die Quantenmechanik hat das menschliche Leben stark verändert. Halbleiter, eine Atombombe, Atomenergie - all dies sind Objekte, die dank ihr funktionieren. Die ganze Welt kämpft jetzt darum, die Quanteneigenschaften einzelner Teilchen, einschließlich verwickelter Teilchen, zu kontrollieren. Zum Beispiel sind drei Partikel an der Teleportation beteiligt: ein Paar und das Ziel. Jeder von ihnen wird jedoch separat verwaltet. Die individuelle Steuerung von Elementarteilchen eröffnet der Technologie neue Horizonte, einschließlich eines Quantencomputers.

Yuri Kurochkin , Kandidat für physikalische und mathematische Wissenschaften, Leiter des Labors für Quantenkommunikation des russischen Quantenzentrums.

Quantenteleportation