Teleportasi kuantum adalah teleportasi bukan objek fisik, bukan energi, tetapi keadaan. Tetapi dalam kasus ini, negara-negara ditransmisikan sedemikian rupa sehingga tidak mungkin untuk melakukan ini dalam representasi klasik. Sebagai aturan, sejumlah besar pengukuran komprehensif diperlukan untuk mengirimkan informasi tentang suatu objek. Tetapi mereka menghancurkan keadaan kuantum, dan kita tidak punya cara untuk mengukurnya kembali. Teleportasi kuantum digunakan untuk mentransmisikan, mentransfer keadaan tertentu, memiliki informasi minimal tentang hal itu, tanpa "melihat" ke dalamnya, tanpa mengukur dan dengan demikian tidak merusak.

Qubit

Qubit - ini adalah keadaan yang ditransmisikan selama teleportasi kuantum. Bit kuantum berada dalam superposisi dua negara. Keadaan klasik, misalnya, dalam keadaan 0 atau dalam keadaan 1. Keadaan kuantum dalam superposisi, dan, sangat penting, sampai kita mengukurnya, ia tidak akan ditentukan. Bayangkan kita memiliki qubit 30% - 0 dan 70% - 1. Jika kita mengukurnya, kita bisa mendapatkan 0 dan 1. Satu pengukuran tidak bisa dikatakan. Tetapi jika kita menyiapkan 100, 1000 dari kondisi yang identik dan mengukurnya berulang-ulang, kita dapat dengan cukup akurat menggambarkan keadaan ini dan memahami bahwa benar-benar ada 30% - 0 dan 70% - 1.

Ini adalah contoh mendapatkan informasi dengan cara klasik. Setelah menerima sejumlah besar data, penerima dapat membuat ulang kondisi ini. Namun, mekanika kuantum memungkinkan untuk tidak mempersiapkan banyak negara. Bayangkan kita hanya punya satu, unik, dan tidak ada yang kedua. Kemudian di klasik, mentransfernya tidak akan berhasil. Secara fisik, langsung, ini juga tidak selalu memungkinkan. Dan dalam mekanika kuantum kita dapat menggunakan efek keterjeratan.

Kami juga menggunakan fenomena non-lokalitas kuantum, yaitu fenomena yang tidak mungkin di dunia yang kita kenal sehingga keadaan ini menghilang dan muncul di sana. Selain itu, hal yang paling menarik adalah bahwa sehubungan dengan objek kuantum yang sama ada teorema non kloning. Artinya, tidak mungkin untuk membuat keadaan identik kedua. Satu harus dihancurkan agar yang lain muncul.

Keterikatan kuantum

Apa efek keterjeratan? Ini disiapkan khusus dua negara, dua objek kuantum - qubit. Untuk kesederhanaan, Anda dapat mengambil foton. Jika foton ini tersebar jauh, mereka akan saling berkorelasi. Apa artinya ini? Bayangkan bahwa kita memiliki satu foton biru, dan yang lainnya hijau. Jika kita hancurkan mereka, tampak dan aku membiru, itu berarti kamu berubah menjadi hijau, dan sebaliknya. Atau jika Anda mengambil sekotak sepatu di mana ada sepatu kanan dan kiri, diam-diam tarik keluar dan bawa satu sepatu untuk Anda, yang lain untuk saya di dalam tas. Jadi saya membuka tas, lihat: Saya punya yang tepat. Jadi Anda memiliki persis kiri.

Kasus kuantum berbeda dalam keadaan yang datang kepada saya sebelum pengukuran bukan biru dan bukan hijau - itu dalam superposisi biru dan hijau. Setelah Anda membagi sepatu, hasilnya sudah ditentukan sebelumnya. Sementara mereka membawa tas, mereka belum dibuka, tetapi sudah jelas apa yang akan ada di sana. Dan sementara objek kuantum belum diukur, tidak ada yang diputuskan.

Jika kita tidak mengambil warna, tetapi polarisasi, yaitu arah osilasi medan listrik, kita dapat membedakan dua opsi: polarisasi vertikal dan horizontal dan + 45 ° - -45 °. Jika Anda menyatukan horizontal dan vertikal dalam proporsi yang sama, Anda mendapatkan + 45 °, jika Anda mengurangi satu dari yang lain, maka -45 °. Sekarang bayangkan dengan cara yang sama, satu foton datang kepada saya, dan satu lagi kepada Anda. Saya melihat: itu vertikal. Jadi, Anda memiliki horisontal. Sekarang bayangkan saya melihat yang vertikal, dan Anda melihatnya secara diagonal, yaitu, Anda melihatnya –– + 45 ° atau –45 °, Anda akan melihat dengan probabilitas yang sama apakah ini hasil yang berbeda. Tetapi jika saya melihat secara diagonal dan melihat +45 °, maka saya tahu pasti bahwa Anda memiliki -45 °.

Paradoks Einstein - Podolsky - Rosen

Keterikatan kuantum dikaitkan dengan sifat-sifat dasar mekanika kuantum dan apa yang disebut paradoks Einstein - Podolsky - Rosen. Einstein telah memprotes mekanika kuantum sejak lama, karena ia percaya bahwa alam tidak dapat mengirimkan informasi tentang keadaan dengan kecepatan yang lebih besar daripada kecepatan cahaya. Kita dapat menyebarkan foton sangat jauh, misalnya, pada tahun cahaya, dan terbuka pada waktu yang sama. Dan kita masih akan melihat korelasi ini.

Tetapi pada kenyataannya, ini tidak melanggar teori relativitas, karena kita masih tidak dapat mengirimkan informasi menggunakan efek ini. Diukur baik foton vertikal atau horizontal. Tetapi tidak diketahui sebelumnya persis apa yang akan terjadi. Terlepas dari kenyataan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan informasi lebih cepat dari kecepatan cahaya, keterjeratan memungkinkan Anda untuk menerapkan protokol teleportasi kuantum. Terdiri dari apa itu? Sepasang foton terjerat lahir. Satu pergi ke pemancar, yang lain ke penerima. Pemancar secara kolektif mengukur foton target yang harus ditransmisikan. Dan dengan probabilitas ¼ dia akan mendapatkan hasilnya OK. Ia dapat memberi tahu penerima tentang hal ini, dan penerima pada saat ini mengetahui bahwa ia memiliki keadaan yang persis sama dengan yang dimiliki pemancar. Dan dengan probabilitas ¾ ia mendapatkan hasil yang berbeda - bukan karena pengukuran yang gagal,tetapi hasilnya berbeda. Tetapi bagaimanapun juga, ini adalah informasi berguna yang dapat dikirim ke penerima. Penerima dalam tiga dari empat kasus harus melakukan pergantian qubit tambahannya untuk menerima status yang ditransmisikan. Yaitu, 2 bit informasi ditransmisikan, dan dengan bantuan mereka dimungkinkan untuk melakukan teleport ke kondisi kompleks yang tidak dapat disandikan.

Kriptografi kuantum

Salah satu aplikasi utama teleportasi kuantum adalah apa yang disebut kriptografi kuantum. Gagasan di balik teknologi ini adalah bahwa satu foton tidak dapat dikloning. Oleh karena itu, kami dapat mengirimkan informasi dalam foton tunggal ini, dan tidak ada yang dapat menggandakannya. Selain itu, dalam upaya apa pun oleh seseorang untuk menemukan sesuatu tentang informasi ini, keadaan foton akan berubah atau runtuh. Karenanya, setiap upaya untuk memperoleh informasi ini oleh pihak luar akan diperhatikan. Ini dapat digunakan dalam kriptografi, dalam melindungi informasi. Benar, itu bukan informasi yang berguna yang dikirim, tetapi sebuah kunci, yang kemudian secara klasik dimungkinkan untuk mengirimkan informasi secara andal.

Teknologi ini memiliki satu kelemahan besar. Faktanya adalah bahwa, seperti yang kami katakan sebelumnya, tidak mungkin untuk membuat salinan foton. Sinyal biasa dalam serat dapat diperkuat. Untuk kasus kuantum, mustahil untuk memperkuat sinyal, karena amplifikasi akan setara dengan beberapa pencegat. Dalam kehidupan nyata, dalam jalur nyata, transmisi dibatasi hingga jarak sekitar 100 kilometer. Pada tahun 2016, Pusat Kuantum Rusia mengadakan demonstrasi di jalur Gazprombank, di mana mereka menunjukkan kriptografi kuantum pada 30 kilometer serat dalam kondisi perkotaan.

Di laboratorium, kami dapat menunjukkan teleportasi kuantum pada jarak hingga 327 kilometer. Tapi, sayangnya, jarak jauh tidak praktis karena foton hilang dalam serat dan kecepatannya sangat rendah. Apa yang harus dilakukan Anda dapat menempatkan server perantara, yang akan menerima informasi, mendekripsi, lalu mengenkripsi lagi dan mengirimkannya lebih lanjut. Demikian juga, misalnya, orang Cina ketika membangun jaringan kriptografi kuantum mereka. Pendekatan yang sama digunakan oleh orang Amerika.

Teleportasi kuantum dalam hal ini adalah metode baru yang memungkinkan Anda untuk menyelesaikan masalah kriptografi kuantum dan meningkatkan jarak hingga ribuan kilometer. Dan dalam hal ini, foton yang sama yang ditransmisikan berulang kali. Banyak kelompok di seluruh dunia sedang mengerjakan tugas ini.

Memori kuantum

Bayangkan sebuah rantai teleportasi. Di setiap tautan ada generator pasangan terjerat, yang harus membuat dan mendistribusikannya. Ini tidak selalu berhasil. Terkadang Anda perlu menunggu sampai upaya lain untuk mendistribusikan pasangan berhasil. Dan qubit harus memiliki tempat di mana ia akan menunggu teleportasi. Ini adalah memori kuantum.

Dalam kriptografi kuantum, ini adalah semacam stasiun perantara. Stasiun semacam itu disebut repeater kuantum, dan sekarang menjadi salah satu arahan utama untuk penelitian dan eksperimen. Ini adalah topik yang populer, pada awal 2010-an, repeater adalah prospek yang sangat jauh, tetapi sekarang tugas tersebut tampaknya dapat direalisasikan. Sebagian besar karena teknologi terus berkembang, termasuk karena standar telekomunikasi.

Eksperimen laboratorium

Jika Anda datang ke laboratorium komunikasi kuantum, Anda akan melihat banyak barang elektronik dan serat optik. Semua optik adalah standar, telekomunikasi, laser dalam kotak standar kecil - keripik. Jika Anda pergi ke laboratorium Alexander Lvovsky , di mana, khususnya, mereka melakukan teleportasi, Anda akan melihat tabel optik, yang distabilkan pada dukungan pneumatik. Artinya, jika meja ini, yang beratnya satu ton, disentuh dengan jari, maka ia akan mulai berenang, bergoyang. Ini karena teknik yang mengimplementasikan protokol kuantum sangat sensitif. Jika Anda memakai kaki yang keras dan berjalan-jalan, maka semua ini akan disebabkan oleh getaran meja. Artinya, ini adalah optik terbuka, laser mahal yang agak besar. Secara umum, ini adalah peralatan yang agak besar.

Keadaan awal disiapkan oleh laser. Untuk mempersiapkan keadaan terjerat, kristal nonlinear digunakan, yang dipompa oleh laser berdenyut atau cw. Karena efek nonlinear, pasangan foton lahir. Bayangkan bahwa kita memiliki dua foton energi - ℏ (2ω), itu diubah menjadi dua foton energi satu - ℏω + ℏω. Foton-foton ini dilahirkan hanya bersama-sama, satu foton tidak dapat terpisah lebih dulu, lalu yang lain Dan mereka terhubung (bingung) dan menunjukkan korelasi non-klasik.

Sejarah dan penelitian saat ini

Jadi, dalam kasus teleportasi kuantum, ada efek yang tidak bisa kita amati dalam kehidupan sehari-hari. Tetapi ada gambar yang sangat indah, fantastis, yang sangat cocok untuk menggambarkan fenomena ini, itulah sebabnya mereka menyebutnya teleportasi kuantum. Seperti yang telah disebutkan, tidak ada waktu ketika qubit masih ada di sini, dan di sana sudah muncul. Artinya, pertama kali dihancurkan di sini, dan baru kemudian muncul di sana. Ini adalah teleportasi yang sama.

Teleportasi kuantum diusulkan secara teoritis pada tahun 1993 oleh sekelompok ilmuwan Amerika yang dipimpin oleh Charles Bennett - maka istilah ini muncul. Implementasi eksperimental pertama dilakukan pada tahun 1997 oleh dua kelompok fisikawan di Innsbruck dan Roma. Lambat laun, para ilmuwan mampu memindahkan negara dalam jarak yang semakin jauh - dari satu meter ke ratusan kilometer atau lebih.

Sekarang orang sedang mencoba melakukan eksperimen, yang, mungkin, di masa depan akan menjadi dasar bagi pengulang kuantum. Diharapkan setelah 5-10 tahun kita akan melihat repeater kuantum nyata. Arah transfer negara antara objek-objek yang berbeda sifatnya juga berkembang, termasuk pada Mei 2016 sebuah teleportasi kuantum hibrida dilakukan di Quantum Center, di laboratorium Alexander Lvovsky. Teorinya juga tidak tinggal diam. Di Quantum Center yang sama, di bawah kepemimpinan Alexei Fedorov, sebuah protokol teleportasi sedang dikembangkan bukan satu arah, tetapi dua arah, sehingga dengan bantuan satu pasang sekaligus secara bersamaan satu sama lain secara bersamaan menuju satu sama lain ke negara-negara teleport.

Sebagai bagian dari pekerjaan kami pada kriptografi kuantum, perangkat kuantum distribusi dan kunci dibuat, yaitu, kami menghasilkan kunci yang tidak dapat dicegat. Dan kemudian pengguna sudah dapat mengenkripsi informasi dengan kunci ini, menggunakan yang disebut notepad satu kali. Manfaat baru teknologi kuantum harus diungkapkan dalam dekade mendatang. Perkembangan sensor kuantum sedang berkembang. Esensi mereka adalah bahwa karena efek kuantum kita dapat mengukur, misalnya, medan magnet, suhu jauh lebih akurat. Yaitu, yang disebut pusat NV di berlian diambil - ini adalah berlian kecil, mereka memiliki cacat nitrogen yang berperilaku benda kuantum. Mereka sangat mirip dengan atom tunggal beku. Melihat cacat ini, orang dapat mengamati perubahan suhu, apalagi, di dalam sel tunggal. Artinya, untuk mengukur bukan hanya suhu di bawah lengan,dan suhu organel di dalam sel.

Pusat Kuantum Rusia juga memiliki proyek dioda putaran. Idenya adalah bahwa kita dapat mengambil antena dan mulai mengumpulkan energi dengan sangat efisien dari gelombang radio latar belakang. Cukup untuk mengingat berapa banyak sumber Wi-Fi saat ini di kota untuk memahami bahwa ada banyak energi gelombang radio di sekitarnya. Ini dapat digunakan untuk sensor yang dapat dipakai (misalnya, untuk sensor gula darah). Mereka membutuhkan pasokan energi yang konstan: baik baterai, atau sistem yang mengumpulkan energi, termasuk dari ponsel. Artinya, di satu sisi, masalah ini dapat diselesaikan dengan basis elemen yang ada dengan kualitas tertentu, dan di sisi lain, Anda dapat menerapkan teknologi kuantum dan menyelesaikan masalah ini dengan lebih baik, bahkan lebih mini.

Mekanika kuantum sangat mengubah kehidupan manusia. Semikonduktor, bom atom, energi atom - ini semua adalah benda yang bekerja berkat itu. Seluruh dunia sekarang berjuang untuk mulai mengendalikan sifat-sifat kuantum partikel tunggal, termasuk yang terjerat. Sebagai contoh, tiga partikel terlibat dalam teleportasi: satu pasang dan target. Tetapi masing-masing dikelola secara terpisah. Kontrol individu terhadap partikel elementer membuka cakrawala baru untuk teknologi, termasuk komputer kuantum.

Yuri Kurochkin , kandidat ilmu fisika dan matematika, kepala laboratorium komunikasi kuantum pusat kuantum Rusia.

Teleportasi kuantum