La téléportation quantique n'est pas la téléportation d'objets physiques, pas d'énergie, mais d'états. Mais dans ce cas, les états sont transmis de telle manière qu'il est impossible de le faire dans la représentation classique. En règle générale, un grand nombre de mesures complètes sont nécessaires pour transmettre des informations sur un objet. Mais ils détruisent l'état quantique, et nous n'avons aucun moyen de le réévaluer. La téléportation quantique est utilisée pour transmettre, transférer un certain état, possédant un minimum d'informations à son sujet, sans «le regarder», sans le mesurer et ainsi ne pas violer.

Qubits

Qubit - c'est l'état qui est transmis pendant la téléportation quantique. Un bit quantique est dans une superposition de deux états. L'état classique est, par exemple, soit dans l'état 0, soit dans l'état 1. L'état quantique est en superposition et, très important, jusqu'à ce que nous le mesurions, il ne sera pas déterminé. Imaginez que nous avions un qubit de 30% - 0 et 70% - 1. Si nous le mesurons, nous pouvons obtenir à la fois 0 et 1. On ne peut rien dire dans une mesure. Mais si nous préparons 100, 1000 de ces états identiques et les mesurons encore et encore, nous pouvons caractériser assez précisément cet état et comprendre qu'il y en avait vraiment 30% - 0 et 70% - 1.

Ceci est un exemple d'obtention d'informations de manière classique. Après avoir reçu une grande quantité de données, le destinataire peut recréer cet état. Cependant, la mécanique quantique permet de ne pas préparer de nombreux états. Imaginez que nous n'en avons qu'un, unique, et qu'il n'y en a pas de second. Ensuite, dans les classiques, le transfert ne fonctionnera pas. Physiquement, directement, cela n'est pas toujours possible. Et en mécanique quantique, nous pouvons utiliser l'effet d'enchevêtrement.

Nous utilisons également le phénomène de non-localité quantique, c'est-à-dire un phénomène impossible dans le monde que nous connaissons pour que cet état disparaisse et y apparaisse. De plus, la chose la plus intéressante est qu'en ce qui concerne les mêmes objets quantiques, il existe un théorème de non-clonage. Autrement dit, il est impossible de créer un deuxième état identique. L'un doit être détruit pour que l'autre apparaisse.

Enchevêtrement quantique

Quel est l'effet de l'intrication? Ce sont deux états spécialement préparés, deux objets quantiques - qubits. Pour plus de simplicité, vous pouvez prendre des photons. Si ces photons sont répartis sur une grande distance, ils seront en corrélation les uns avec les autres. Qu'est-ce que cela signifie? Imaginez que nous avons un photon bleu et l'autre vert. Si nous les avons brisés, regardés et que je suis devenu bleu, cela signifie que vous êtes devenu vert, et vice versa. Ou si vous prenez une boîte de chaussures où il y a une chaussure droite et gauche, sortez-les doucement et portez une chaussure à vous, l'autre à moi dans le sac. J'ai donc ouvert le sac, regardez: j'ai le bon. Vous avez donc exactement la gauche.

Le cas quantique est différent en ce que l'état qui m'est venu avant la mesure n'est ni bleu ni vert - il est dans une superposition de bleu et de vert. Après avoir divisé les chaussures, le résultat est déjà prédéterminé. Bien qu'ils portent les sacs, ils n'ont pas encore été ouverts, mais on sait déjà ce qu'il y aura. Et bien que les objets quantiques n'aient pas été mesurés, rien n'a été décidé.

Si nous ne prenons pas la couleur, mais la polarisation, c'est-à-dire la direction d'oscillation du champ électrique, nous pouvons distinguer deux options: polarisation verticale et horizontale et + 45 ° - -45 °. Si vous associez horizontal et vertical dans des proportions égales, vous obtenez + 45 °, si vous soustrayez l'un de l'autre, alors -45 °. Imaginez maintenant que de la même manière, un photon m'est venu et un autre pour vous. J'ai regardé: c'est vertical. Vous avez donc horizontal. Imaginez maintenant que j'en ai vu un vertical, et que vous l'avez regardé en diagonale, c'est-à-dire que vous l'avez regardé - + 45 ° ou -45 °, vous verrez avec une probabilité égale s'il s'agit d'un résultat différent. Mais si j'ai regardé en diagonale et vu + 45 °, alors je sais avec certitude que vous avez -45 °.

Le paradoxe d'Einstein - Podolsky - Rosen

L'intrication quantique est associée aux propriétés fondamentales de la mécanique quantique et au paradoxe dit d'Einstein - Podolsky - Rosen. Einstein avait protesté contre la mécanique quantique pendant si longtemps, car il pensait que la nature ne pouvait pas transmettre d'informations sur l'état à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Nous pouvons étendre les photons très loin, par exemple, pendant l'année-lumière, et ouvrir en même temps. Et nous verrons toujours cette corrélation.

Mais en fait, cela ne viole pas la théorie de la relativité, car nous ne pouvons toujours pas transmettre d'informations en utilisant cet effet. Photon vertical ou horizontal mesuré. Mais on ne sait pas à l'avance exactement ce que ce sera. Malgré le fait qu'il soit impossible de transmettre des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière, l'intrication vous permet de mettre en œuvre un protocole de téléportation quantique. En quoi cela consiste-t-il? Une paire de photons intriqués est née. L'un va à l'émetteur, l'autre au récepteur. L'émetteur mesure collectivement le photon cible qu'il doit transmettre. Et avec une probabilité ¼, il obtiendra le résultat OK. Il peut en informer le destinataire, et le destinataire découvre à ce moment qu'il a exactement le même état que l'émetteur. Et avec une probabilité ¾ il obtient un résultat différent - pas qu'une mesure infructueuse,mais juste un résultat différent. Mais en tout cas, ce sont des informations utiles qui peuvent être transmises au destinataire. Le destinataire dans trois cas sur quatre doit effectuer un tour supplémentaire de son qubit afin de recevoir l'état transmis. C'est-à-dire que 2 bits d'informations sont transmis, et avec l'aide d'eux, il est possible de téléporter un état complexe qu'ils ne peuvent pas être codés.

Cryptographie quantique

L'une des principales applications de la téléportation quantique est ce que l'on appelle la cryptographie quantique. L'idée derrière cette technologie est qu'un seul photon ne peut pas être cloné. Par conséquent, nous pouvons transmettre des informations dans ce photon unique, et personne ne peut les dupliquer. De plus, à toute tentative de découverte de ces informations par quelqu'un, l'état du photon changera ou s'effondrera. En conséquence, toute tentative d'obtenir ces informations par des tiers sera remarquée. Il peut être utilisé en cryptographie, pour protéger des informations. Certes, ce ne sont pas les informations utiles qui sont transmises, mais une clé, à laquelle il est alors classiquement possible de transmettre des informations de manière absolument fiable.

Cette technologie présente un gros inconvénient. Le fait est que, comme nous l'avons dit précédemment, il est impossible de créer une copie d'un photon. Un signal ordinaire dans une fibre peut être amplifié. Pour le cas quantique, il est impossible d'amplifier le signal, car l'amplification sera équivalente à un intercepteur. Dans la vie réelle, en lignes réelles, la transmission est limitée à une distance d'environ 100 kilomètres. En 2016, le Russian Quantum Center a organisé une manifestation sur les lignes de Gazprombank, où ils ont montré la cryptographie quantique sur 30 kilomètres de fibre en milieu urbain.

En laboratoire, nous sommes en mesure de montrer la téléportation quantique à une distance allant jusqu'à 327 kilomètres. Mais, malheureusement, les longues distances ne sont pas pratiques car les photons sont perdus dans la fibre et la vitesse est très faible. Que faire Vous pouvez mettre un serveur intermédiaire, qui recevra les informations, les déchiffrera, puis les chiffrera à nouveau et les transmettra plus loin. Il en va de même, par exemple, pour les Chinois lors de la construction de leur réseau de cryptographie quantique. La même approche est utilisée par les Américains.

La téléportation quantique dans ce cas est une nouvelle méthode qui vous permet de résoudre le problème de la cryptographie quantique et d'augmenter la distance à des milliers de kilomètres. Et dans ce cas, le même photon qui est transmis est téléporté plusieurs fois. De nombreux groupes à travers le monde travaillent sur cette tâche.

Mémoire quantique

Imaginez une chaîne de téléportations. Dans chacun des liens, il y a un générateur de paires enchevêtrées, qui devrait les créer et les distribuer. Ce n'est pas toujours réussi. Parfois, vous devez attendre jusqu'à ce qu'une autre tentative de distribution de paires réussisse. Et le qubit doit avoir un endroit où il attendra la téléportation. C'est de la mémoire quantique.

En cryptographie quantique, c'est une sorte de station intermédiaire. Ces stations sont appelées répéteurs quantiques, et elles constituent désormais l'une des principales directions de recherche et d'expérimentation. C'est un sujet populaire, au début des années 2010, les redoublants étaient une perspective très lointaine, mais maintenant la tâche semble réalisable. En grande partie parce que la technologie évolue constamment, notamment en raison des normes de télécommunication.

Expérience en laboratoire

Si vous venez au laboratoire de communications quantiques, vous verrez beaucoup d'électronique et de fibre optique. Toutes les optiques sont standard, télécommunications, lasers dans de petites boîtes standard - puces. Si vous allez au laboratoire d' Alexander Lvovsky , où, en particulier, ils font de la téléportation, vous verrez une table optique, qui est stabilisée sur des supports pneumatiques. Autrement dit, si cette table, qui pèse une tonne, est touchée avec un doigt, alors elle commencera à nager, à se balancer. En effet, la technique qui implémente les protocoles quantiques est très sensible. Si vous mettez des jambes dures et que vous vous promenez, tout cela sera dû aux vibrations de la table. Autrement dit, il s'agit d'une optique ouverte, plutôt de gros lasers coûteux. En général, c'est un équipement plutôt encombrant.

L'état initial est préparé par un laser. Pour préparer des états intriqués, un cristal non linéaire est utilisé, qui est pompé par un laser pulsé ou cw. En raison d'effets non linéaires, des paires de photons naissent. Imaginez que nous ayons deux photons d'énergie - ℏ (2ω), il est converti en deux photons d'énergie un - ℏω + ℏω. Ces photons ne naissent qu'ensemble; un photon ne peut pas se séparer d'abord, puis un autre. Et ils sont connectés (confus) et présentent des corrélations non classiques.

Histoire et recherches actuelles

Donc, dans le cas de la téléportation quantique, il y a un effet que nous ne pouvons pas observer dans la vie quotidienne. Mais il y avait une très belle image fantastique, qui était très appropriée pour décrire ce phénomène, c'est pourquoi ils l'ont appelé téléportation quantique. Comme déjà mentionné, il n'y a pas de moment où le qubit existe toujours ici, et là il est déjà apparu. C'est-à-dire, d'abord détruit ici, et seulement alors apparaît là. C'est la même téléportation.

La téléportation quantique a été théoriquement proposée en 1993 par un groupe de scientifiques américains dirigé par Charles Bennett - puis ce terme est apparu. La première mise en œuvre expérimentale a été réalisée en 1997 par deux groupes de physiciens à Innsbruck et à Rome. Progressivement, les scientifiques ont pu transférer l'état sur une distance croissante - d'un mètre à des centaines de kilomètres ou plus.

Maintenant, les gens essaient de faire des expériences qui, peut-être, à l'avenir deviendront la base des répéteurs quantiques. Il est prévu qu'après 5 à 10 ans, nous verrons de vrais répéteurs quantiques. La direction du transfert d'état entre objets de nature différente se développe également, notamment en mai 2016 une téléportation quantique hybride a été réalisée au Quantum Center, dans le laboratoire d'Alexander Lvovsky. La théorie ne s'arrête pas non plus. Dans le même centre quantique, sous la direction d'Alexei Fedorov, un protocole de téléportation est en cours d'élaboration non pas dans un sens, mais bidirectionnel, de sorte qu'avec l'aide d'une paire à la fois simultanément l'une vers l'autre pour téléporter les États.

Dans le cadre de nos travaux sur la cryptographie quantique, un dispositif quantique de distribution et de clé est créé, c'est-à-dire que nous générons une clé qui ne peut pas être interceptée. Et puis, l'utilisateur peut déjà crypter des informations avec cette clé, en utilisant ce qu'on appelle le bloc-notes à usage unique. Les nouveaux avantages de la technologie quantique devraient être révélés au cours de la prochaine décennie. Le développement des capteurs quantiques se développe. Leur essence est qu'en raison des effets quantiques, nous pouvons mesurer, par exemple, le champ magnétique, la température beaucoup plus précisément. C'est-à-dire que les soi-disant centres NV dans les diamants sont pris - ce sont de minuscules diamants, ils ont des défauts d'azote qui se comportent comme des objets quantiques. Ils sont très similaires à un seul atome gelé. En regardant ce défaut, on peut observer des changements de température, d'ailleurs, à l'intérieur d'une seule cellule. Autrement dit, pour mesurer non seulement la température sous le bras,et la température de l'organite à l'intérieur de la cellule.

Le Russian Quantum Center a également un projet de diode de spin. L'idée est que nous pouvons prendre l'antenne et commencer à collecter très efficacement l'énergie des ondes radio de fond. Il suffit de rappeler combien de sources Wi-Fi sont actuellement dans les villes pour comprendre qu'il y a beaucoup d'énergie radioélectrique autour. Il peut être utilisé pour des capteurs portables (par exemple, pour un capteur de glycémie). Ils ont besoin d'un approvisionnement constant en énergie: soit une batterie, soit un système qui collecte l'énergie, y compris à partir d'un téléphone mobile. Autrement dit, d'une part, ces problèmes peuvent être résolus avec la base élémentaire existante avec une certaine qualité, et d'autre part, vous pouvez appliquer des technologies quantiques et résoudre ce problème encore mieux, encore plus miniature.

La mécanique quantique a considérablement changé la vie humaine. Semi-conducteurs, bombe atomique, énergie atomique - ce sont tous des objets qui fonctionnent grâce à elle. Le monde entier peine maintenant à commencer à contrôler les propriétés quantiques des particules simples, y compris celles enchevêtrées. Par exemple, trois particules sont impliquées dans la téléportation: une paire et la cible. Mais chacun d'eux est géré séparément. Le contrôle individuel des particules élémentaires ouvre de nouveaux horizons pour la technologie, y compris un ordinateur quantique.

Yuri Kurochkin , candidat des sciences physiques et mathématiques, chef du laboratoire de communications quantiques du centre quantique russe.

Téléportation quantique