La teletransportación cuántica es la teletransportación de objetos no físicos, no energéticos, sino de estados. Pero en este caso, los estados se transmiten de tal manera que es imposible hacer esto en la representación clásica. Como regla general, se requiere una gran cantidad de mediciones completas para transmitir información sobre un objeto. Pero destruyen el estado cuántico, y no tenemos forma de volver a medirlo. La teletransportación cuántica se utiliza para transmitir, transferir un determinado estado, que posee información mínima sobre él, sin "mirarlo", sin medir y, por lo tanto, sin violar.

Qubits

Qubit: este es el estado que se transmite durante la teletransportación cuántica. Un bit cuántico está en una superposición de dos estados. El estado clásico está, por ejemplo, en el estado 0 o en el estado 1. El estado cuántico está en superposición y, muy importante, hasta que lo medimos, no se determinará. Imagine que tenemos un qubit de 30% - 0 y 70% - 1. Si lo medimos, podemos obtener ambos 0 y 1. No se puede decir una medida. Pero si preparamos 100, 1000 de tales estados idénticos y los medimos una y otra vez, podemos caracterizar con bastante precisión este estado y comprender que realmente hubo 30% - 0 y 70% - 1.

Este es un ejemplo de cómo obtener información de una manera clásica. Habiendo recibido una gran cantidad de datos, el destinatario puede recrear este estado. Sin embargo, la mecánica cuántica permite no preparar muchos estados. Imagine que solo tenemos uno, único, y no hay segundo. Luego, en los clásicos, transferirlo no funcionará. Físicamente, directamente, esto tampoco siempre es posible. Y en mecánica cuántica podemos usar el efecto de enredo.

También utilizamos el fenómeno de la no localidad cuántica, es decir, un fenómeno que es imposible en el mundo con el que estamos familiarizados para que este estado desaparezca y aparezca allí. Además, lo más interesante es que con respecto a los mismos objetos cuánticos existe un teorema de no clonación. Es decir, es imposible crear un segundo estado idéntico. Uno debe ser destruido para que el otro aparezca.

Enredo cuántico

¿Cuál es el efecto del enredo? Estos son dos estados especialmente preparados, dos objetos cuánticos: qubits. Por simplicidad, puedes tomar fotones. Si estos fotones se extienden a una gran distancia, se correlacionarán entre sí. ¿Qué significa esto? Imagine que tenemos un fotón azul y el otro verde. Si los aplastamos, miramos y me puse azul, significa que te volviste verde, y viceversa. O si toma una caja de zapatos donde hay un zapato derecho e izquierdo, sáquelos silenciosamente y lleve un zapato a usted, el otro a mí en la bolsa. Entonces abrí la bolsa, mira: tengo la correcta. Entonces tienes exactamente la izquierda.

El caso cuántico es diferente en que el estado que me llegó antes de la medición no es azul ni verde, está en una superposición de azul y verde. Después de dividir los zapatos, el resultado ya está predeterminado. Mientras llevan las bolsas, aún no se han abierto, pero ya está claro qué habrá allí. Y aunque los objetos cuánticos no se han medido, no se ha decidido nada.

Si no tomamos el color, sino la polarización, es decir, la dirección de oscilación del campo eléctrico, podemos distinguir dos opciones: polarización vertical y horizontal y + 45 ° - -45 °. Si juntas horizontal y vertical en proporciones iguales, obtienes + 45 °, si restas uno del otro, entonces -45 °. Ahora imagine que de la misma manera, un fotón vino a mí y otro a usted. Miré: es vertical. Entonces tienes horizontal. Ahora imagine que vi uno vertical, y lo miró en diagonal, es decir, lo miró –– + 45 ° o –45 °, verá con igual probabilidad si este es un resultado diferente. Pero si miré en diagonal y vi + 45 °, entonces estoy seguro de que tienes -45 °.

La paradoja de Einstein - Podolsky - Rosen

El entrelazamiento cuántico está asociado con las propiedades fundamentales de la mecánica cuántica y la llamada paradoja de Einstein - Podolsky - Rosen. Einstein había protestado contra la mecánica cuántica durante tanto tiempo, porque creía que la naturaleza no podía transmitir información sobre el estado con una velocidad mayor que la velocidad de la luz. Podemos extender los fotones muy lejos, por ejemplo, en el año luz, y abrirlos al mismo tiempo. Y aún veremos esta correlación.

Pero, de hecho, esto no viola la teoría de la relatividad, porque todavía no podemos transmitir información utilizando este efecto. Medido fotón vertical u horizontal. Pero no se sabe de antemano exactamente qué será. A pesar de que es imposible transmitir información más rápido que la velocidad de la luz, el enredo le permite implementar un protocolo de teletransportación cuántica. ¿En que consiste? Nace un par de fotones enredados. Uno va al transmisor, el otro al receptor. El transmisor mide colectivamente el fotón objetivo que debe transmitir. Y con probabilidad ¼ obtendrá el resultado OK. Puede informar al receptor de esto, y el receptor en este momento descubre que tiene exactamente el mismo estado que tenía el transmisor. Y con probabilidad ¾ obtiene un resultado diferente, no es una medición fallida,pero solo un resultado diferente. Pero en cualquier caso, esta es información útil que se puede transmitir al destinatario. El receptor en tres de cuatro casos debe hacer un giro adicional de su qubit para recibir el estado transmitido. Es decir, se transmiten 2 bits de información, y con la ayuda de ellos es posible teletransportar un estado complejo que no pueden codificarse.

Criptografía cuántica

Una de las principales aplicaciones de la teletransportación cuántica es la llamada criptografía cuántica. La idea detrás de esta tecnología es que no se puede clonar un solo fotón. Por lo tanto, podemos transmitir información en este único fotón, y nadie puede duplicarlo. Además, en cualquier intento de alguien de descubrir algo sobre esta información, el estado del fotón cambiará o colapsará. En consecuencia, cualquier intento de obtener esta información por parte de personas ajenas se notará. Se puede usar en criptografía, en la protección de la información. Es cierto que no se transmite información útil, sino una clave, a la que es posible transmitir información de manera absolutamente fiable.

Esta tecnología tiene un gran inconveniente. El hecho es que, como dijimos anteriormente, es imposible crear una copia de un fotón. Se puede amplificar una señal ordinaria en una fibra. Para el caso cuántico, es imposible amplificar la señal, ya que la amplificación será equivalente a algún interceptor. En la vida real, en líneas reales, la transmisión se limita a una distancia de aproximadamente 100 kilómetros. En 2016, el Centro Cuántico Ruso realizó una demostración en las líneas de Gazprombank, donde mostraron criptografía cuántica en 30 kilómetros de fibra en condiciones urbanas.

En el laboratorio, podemos mostrar teletransportación cuántica a una distancia de hasta 327 kilómetros. Pero, desafortunadamente, las largas distancias no son prácticas porque los fotones se pierden en la fibra y la velocidad es muy baja. Que hacer Puede poner un servidor intermedio, que recibirá información, descifrará, luego volverá a cifrar y lo transmitirá más. También lo hacen, por ejemplo, los chinos cuando construyen su red de criptografía cuántica. Los estadounidenses usan el mismo enfoque.

La teletransportación cuántica en este caso es un nuevo método que le permite resolver el problema de la criptografía cuántica y aumentar la distancia a miles de kilómetros. Y en este caso, el mismo fotón que se transmite se teletransporta muchas veces. Muchos grupos de todo el mundo están trabajando en esta tarea.

Memoria cuántica

Imagina una cadena de teletransportaciones. En cada uno de los enlaces hay un generador de pares entrelazados, que deberían crearlos y distribuirlos. Esto no siempre es exitoso. A veces es necesario esperar hasta que otro intento de distribuir pares sea exitoso. Y el qubit debe tener un lugar donde esperará la teletransportación. Esta es la memoria cuántica.

En criptografía cuántica, este es un tipo de estación intermedia. Tales estaciones se llaman repetidores cuánticos, y ahora son una de las principales direcciones para la investigación y la experimentación. Este es un tema popular, a principios de 2010, los repetidores eran una perspectiva muy distante, pero ahora la tarea parece ser realizable. Principalmente porque la tecnología está en constante evolución, incluso debido a los estándares de telecomunicaciones.

Experimento de laboratorio

Si vienes al laboratorio de comunicaciones cuánticas, verás mucha electrónica y fibra óptica. Todas las ópticas son estándar, telecomunicaciones, láser en pequeñas cajas estándar - chips. Si vas al laboratorio de Alexander Lvovsky , donde, en particular, hacen teletransportación, verás una mesa óptica, que está estabilizada sobre soportes neumáticos. Es decir, si esta mesa, que pesa una tonelada, se toca con un dedo, comenzará a nadar, balancearse. Esto se debe a que la técnica que implementa protocolos cuánticos es muy sensible. Si te pones patas duras y caminas, todo esto se debe a las vibraciones de la mesa. Es decir, es una óptica abierta, láseres caros bastante grandes. En general, este es un equipo bastante voluminoso.

El estado inicial es preparado por un láser. Para preparar estados entrelazados, se usa un cristal no lineal, que es bombeado por un láser pulsado o cw. Debido a los efectos no lineales, nacen pares de fotones. Imagine que tenemos dos fotones de energía - ℏ (2ω), se convierte en dos fotones de energía uno - ℏω + ℏω. Estos fotones nacen solo juntos; un fotón no puede separarse primero, luego otro. Y están conectados (confundidos) y exhiben correlaciones no clásicas.

Historia e investigaciones actuales.

Entonces, en el caso de la teletransportación cuántica, hay un efecto que no podemos observar en la vida diaria. Pero había una imagen muy hermosa y fantástica, que era muy adecuada para describir este fenómeno, por eso lo llamaron teletransportación cuántica. Como ya se mencionó, no hay ningún momento en el tiempo en que el qubit todavía exista aquí, y allí ya apareció. Es decir, primero destruido aquí, y solo entonces aparece allí. Esta es la misma teletransportación.

La teletransportación cuántica fue propuesta teóricamente en 1993 por un grupo de científicos estadounidenses liderados por Charles Bennett, luego apareció este término. La primera implementación experimental se llevó a cabo en 1997 por dos grupos de físicos en Innsbruck y Roma. Gradualmente, los científicos pudieron transferir el estado a una distancia cada vez mayor, de un metro a cientos de kilómetros o más.

Ahora la gente está tratando de hacer experimentos, que, quizás, en el futuro se convertirán en la base de los repetidores cuánticos. Se espera que después de 5-10 años veamos repetidores cuánticos reales. La dirección de la transferencia de estado entre objetos de diferente naturaleza también se está desarrollando, incluso en mayo de 2016 se realizó una teletransportación cuántica híbrida en el Centro Cuántico, en el laboratorio de Alexander Lvovsky. La teoría tampoco se queda quieta. En el mismo Centro Cuántico, bajo el liderazgo de Alexei Fedorov, se está desarrollando un protocolo de teletransportación no de una manera, sino bidireccional, de modo que con la ayuda de un par a la vez simultáneamente uno hacia el otro para teletransportarse.

Como parte de nuestro trabajo en criptografía cuántica, se crea un dispositivo cuántico de distribución y clave, es decir, generamos una clave que no puede ser interceptada. Y luego el usuario ya puede cifrar la información con esta clave, utilizando el llamado bloc de notas de una sola vez. Los nuevos beneficios de la tecnología cuántica deberían revelarse en la próxima década. El desarrollo de sensores cuánticos se está desarrollando. Su esencia es que, debido a los efectos cuánticos, podemos medir, por ejemplo, el campo magnético y la temperatura con mucha más precisión. Es decir, se toman los llamados centros NV en diamantes: estos son diamantes pequeños, tienen defectos de nitrógeno que comportan objetos cuánticos. Son muy similares a un solo átomo congelado. Mirando este defecto, uno puede observar cambios en la temperatura, además, dentro de una sola celda. Es decir, para medir no solo la temperatura debajo del brazo,y la temperatura del orgánulo dentro de la célula.

El Centro Cuántico Ruso también tiene un proyecto de diodos giratorios. La idea es que podamos tomar la antena y comenzar a recolectar energía de manera muy eficiente de las ondas de radio de fondo. Es suficiente recordar cuántas fuentes de Wi-Fi se encuentran actualmente en las ciudades para comprender que hay mucha energía de ondas de radio alrededor. Se puede usar para sensores portátiles (por ejemplo, para un sensor de azúcar en la sangre). Necesitan un suministro constante de energía: ya sea una batería o un sistema que recolecte energía, incluso desde un teléfono móvil. Es decir, por un lado, estos problemas pueden resolverse con la base elemental existente con una cierta calidad, y por otro lado, puede aplicar tecnologías cuánticas y resolver este problema aún mejor, incluso más en miniatura.

La mecánica cuántica cambió mucho la vida humana. Semiconductores, una bomba atómica, energía atómica: todos estos objetos funcionan gracias a ella. El mundo entero ahora está luchando por comenzar a controlar las propiedades cuánticas de partículas individuales, incluidas las enredadas. Por ejemplo, tres partículas están involucradas en la teletransportación: un par y el objetivo. Pero cada uno de ellos se gestiona por separado. El control individual de partículas elementales abre nuevos horizontes para la tecnología, incluida una computadora cuántica.

Yuri Kurochkin , candidato de ciencias físicas y matemáticas, jefe del laboratorio de comunicaciones cuánticas del centro cuántico ruso.

Teletransportación cuántica