O teletransporte quântico é o teletransporte de objetos não físicos, não de energia, mas de estados. Mas, neste caso, os estados são transmitidos de tal maneira que é impossível fazer isso na representação clássica. Como regra, é necessário um grande número de medições abrangentes para transmitir informações sobre um objeto. Mas eles destroem o estado quântico e não temos como salvá-lo. O teletransporte quântico é usado para transmitir, transferir um determinado estado, possuindo informações mínimas sobre ele, sem "olhar" para ele, sem medir e, portanto, sem violar.

Qubits

Qubit - este é o estado que é transmitido durante o teletransporte quântico. Um bit quântico está em uma superposição de dois estados. O estado clássico está, por exemplo, no estado 0 ou no estado 1. O estado quântico está em superposição e, muito importante, até que o medamos, não será determinado. Imagine que tivemos um qubit de 30% - 0 e 70% - 1. Se medirmos, podemos obter 0 e 1. Não se pode dizer nada em uma medida. Porém, se prepararmos 100.000 desses estados idênticos e os medirmos repetidamente, poderemos caracterizar esse estado com bastante precisão e entender que realmente havia 30% - 0 e 70% - 1.

Este é um exemplo de obtenção de informações de maneira clássica. Após receber uma grande quantidade de dados, o destinatário pode recriar esse estado. No entanto, a mecânica quântica permite não preparar muitos estados. Imagine que temos apenas um, único, e não existe um segundo. Então, nos clássicos, a transferência não funcionará. Fisicamente, diretamente, isso nem sempre é possível. E na mecânica quântica, podemos usar o efeito de emaranhamento.

Também usamos o fenômeno da não-localidade quântica, isto é, um fenômeno impossível no mundo com o qual estamos familiarizados, para que esse estado desapareça e apareça lá. Além disso, o mais interessante é que, com relação aos mesmos objetos quânticos, existe um teorema de não clonagem. Ou seja, é impossível criar um segundo estado idêntico. Um deve ser destruído para que o outro apareça.

Emaranhamento quântico

Qual é o efeito do emaranhamento? Estes são especialmente preparados dois estados, dois objetos quânticos - qubits. Para simplificar, você pode tirar fótons. Se esses fótons estiverem espalhados por uma grande distância, eles se correlacionarão. O que isso significa? Imagine que temos um fóton azul e o outro verde. Se os esmagamos, parecemos e eu fiquei azul, significa que você ficou verde e vice-versa. Ou se você pegar uma caixa de sapatos onde há um sapato direito e esquerdo, puxe-os silenciosamente e leve um sapato para você, o outro para mim na sacola. Então eu abri a bolsa, olha: eu tenho a certa. Então você tem exatamente a esquerda.

O caso quântico é diferente, pois o estado que me veio antes da medição não é azul nem verde - está em uma superposição de azul e verde. Depois de dividir os sapatos, o resultado já é predeterminado. Enquanto carregam as malas, elas ainda não foram abertas, mas já está claro o que estará lá. E enquanto os objetos quânticos não foram medidos, nada foi decidido.

Se não tomarmos a cor, mas a polarização, ou seja, a direção do campo elétrico, podemos distinguir duas opções: polarização vertical e horizontal e + 45 ° - -45 °. Se você montar horizontal e vertical em proporções iguais, obterá + 45 °; se subtrair um do outro, -45 °. Agora imagine que, da mesma maneira, um fóton veio até mim e outro para você. Eu olhei: é vertical. Então você tem horizontal. Agora imagine que eu vi um vertical, e você olhou para ele em uma base diagonal, ou seja, você olhou para ele - + 45 ° ou -45 °, você verá com igual probabilidade se este é um resultado diferente. Mas se olhei na diagonal e vi + 45 °, sei com certeza que você tem -45 °.

O paradoxo de Einstein - Podolsky - Rosen

O emaranhamento quântico está associado às propriedades fundamentais da mecânica quântica e ao chamado paradoxo de Einstein - Podolsky - Rosen. Einstein protestou contra a mecânica quântica por tanto tempo, porque acreditava que a natureza não podia transmitir informações sobre o estado com uma velocidade maior que a velocidade da luz. Podemos espalhar os fótons muito longe, por exemplo, no ano-luz, e abrir ao mesmo tempo. E ainda vamos ver essa correlação.

Mas, de fato, isso não viola a teoria da relatividade, porque ainda não podemos transmitir informações usando esse efeito. Medido o fóton vertical ou horizontal. Mas ainda não se sabe exatamente o que será. Apesar de ser impossível transmitir informações mais rapidamente que a velocidade da luz, o emaranhamento permite implementar um protocolo de teletransporte quântico. Em que consiste? Nasce um par emaranhado de fótons. Um vai para o transmissor, o outro para o receptor. O transmissor mede coletivamente o fóton alvo que deve transmitir. E com probabilidade, ele obterá o resultado OK. Ele pode informar o destinatário disso, e neste momento o destinatário descobre que ele tem exatamente o mesmo estado que o transmissor. E com probabilidade, ele obtém um resultado diferente - não que uma medida malsucedida,mas apenas um resultado diferente. Mas, em qualquer caso, essa é uma informação útil que pode ser transmitida ao destinatário. O destinatário em três dos quatro casos deve fazer uma volta adicional de seu qubit para receber o estado transmitido. Ou seja, 2 bits de informação são transmitidos e, com a ajuda deles, é possível teletransportar um estado complexo que eles não podem ser codificados.

Criptografia quântica

Uma das principais aplicações do teletransporte quântico é a chamada criptografia quântica. A idéia por trás dessa tecnologia é que um único fóton não pode ser clonado. Portanto, podemos transmitir informações nesse fóton único e ninguém pode duplicá-las. Além disso, em qualquer tentativa de alguém descobrir algo sobre essa informação, o estado do fóton mudará ou entrará em colapso. Assim, qualquer tentativa de obter essas informações por terceiros será notada. Pode ser usado em criptografia, na proteção de informações. É verdade que não é uma informação útil transmitida, mas uma chave, para a qual é possível classicamente transmitir informações de maneira absolutamente confiável.

Essa tecnologia tem uma grande desvantagem. O fato é que, como dissemos anteriormente, é impossível criar uma cópia de um fóton. Um sinal comum em uma fibra pode ser amplificado. Para o caso quântico, é impossível amplificar o sinal, pois a amplificação será equivalente a algum interceptador. Na vida real, em linhas reais, a transmissão é limitada a uma distância de aproximadamente 100 quilômetros. Em 2016, o Russian Quantum Center realizou uma demonstração nas linhas do Gazprombank, onde mostraram criptografia quântica em 30 quilômetros de fibra em condições urbanas.

No laboratório, somos capazes de mostrar o teletransporte quântico a uma distância de até 327 quilômetros. Infelizmente, porém, longas distâncias são impraticáveis porque os fótons são perdidos na fibra e a velocidade é muito baixa. O que fazer Você pode colocar um servidor intermediário, que receberá informações, descriptografará e depois criptografará novamente e as transmitirá. O mesmo acontece com os chineses, por exemplo, ao construir sua rede de criptografia quântica. A mesma abordagem é usada pelos americanos.

O teletransporte quântico, neste caso, é um novo método que permite resolver o problema da criptografia quântica e aumentar a distância para milhares de quilômetros. E, neste caso, o mesmo fóton transmitido é teleportado muitas vezes. Muitos grupos ao redor do mundo estão trabalhando nessa tarefa.

Memória quântica

Imagine uma cadeia de teletransporte. Em cada um dos links, há um gerador de pares emaranhados, que deve criá-los e distribuí-los. Isso nem sempre é bem sucedido. Às vezes, você precisa esperar até que outra tentativa de distribuir pares seja bem-sucedida. E o qubit deve ter algum lugar onde aguardará o teletransporte. Isso é memória quântica.

Na criptografia quântica, esse é um tipo de estação intermediária. Essas estações são chamadas repetidores quânticos e agora são uma das principais direções para pesquisa e experimentação. Este é um tópico popular. No início de 2010, os repetidores eram uma perspectiva muito distante, mas agora a tarefa parece ser realizável. Em grande parte porque a tecnologia está em constante evolução, inclusive devido aos padrões de telecomunicações.

Experimento de laboratório

Se você for ao laboratório de comunicações quânticas, verá muitos eletrônicos e fibras ópticas. Todas as ópticas são padrão, telecomunicações, lasers em pequenas caixas padrão - chips. Se você for ao laboratório de Alexander Lvovsky , onde, em particular, eles fazem teletransporte, você verá uma mesa óptica estabilizada em suportes pneumáticos. Ou seja, se esta mesa, que pesa uma tonelada, for tocada com um dedo, ela começará a nadar. Isso ocorre porque a técnica que implementa protocolos quânticos é muito sensível. Se você colocar as pernas duras e andar por aí, tudo isso será devido às vibrações da mesa. Ou seja, é uma óptica aberta, lasers caros bastante grandes. Em geral, este é um equipamento bastante volumoso.

O estado inicial é preparado por um laser. Para preparar estados emaranhados, é usado um cristal não linear, que é bombeado por um laser pulsado ou cw. Devido a efeitos não lineares, nascem pares de fótons. Imagine que temos dois fótons de energia - ℏ (2ω), ele é convertido em dois fótons de energia um - ℏω + ℏω. Esses fótons nascem apenas juntos; um fóton não pode separar primeiro, depois outro. E eles estão conectados (confusos) e exibem correlações não clássicas.

História e pesquisa atual

Assim, no caso do teletransporte quântico, há um efeito que não podemos observar na vida cotidiana. Mas havia uma imagem muito bonita e fantástica, muito adequada para descrever esse fenômeno, razão pela qual o chamavam de teletransporte quântico. Como já mencionado, não há momento em que o qubit ainda exista aqui, e já apareceu. Ou seja, primeiro destruído aqui, e só então aparece lá. Este é o mesmo teletransporte.

O teletransporte quântico foi proposto teoricamente em 1993 por um grupo de cientistas americanos liderados por Charles Bennett - então esse termo apareceu. A primeira implementação experimental foi realizada em 1997 por dois grupos de físicos em Innsbruck e Roma. Gradualmente, os cientistas foram capazes de transferir o estado a uma distância crescente - de um metro para centenas de quilômetros ou mais.

Agora, as pessoas estão tentando fazer experimentos, que, talvez, no futuro se tornem a base para repetidores quânticos. Espera-se que, após 5 a 10 anos, veremos repetidores quânticos reais. A direção da transferência de estado entre objetos de natureza diferente também está se desenvolvendo, incluindo em maio de 2016 um teletransporte quântico híbrido foi realizado no Quantum Center, no laboratório de Alexander Lvovsky. A teoria também não fica parada. No mesmo Quantum Center, sob a liderança de Alexei Fedorov, um protocolo de teletransporte está sendo desenvolvido não de uma maneira, mas bidirecional, de modo que, com a ajuda de um par ao mesmo tempo, simultaneamente, um para o outro, para teletransportar os estados.

Como parte de nosso trabalho sobre criptografia quântica, um dispositivo quântico de distribuição e chave é criado, ou seja, geramos uma chave que não pode ser interceptada. E então o usuário já pode criptografar informações com essa chave, usando o chamado bloco de notas único. Os novos benefícios da tecnologia quântica devem ser revelados na próxima década. O desenvolvimento de sensores quânticos está se desenvolvendo. Sua essência é que, devido aos efeitos quânticos, podemos medir, por exemplo, campo magnético, temperatura com muito mais precisão. Ou seja, os chamados centros NV em diamantes são usados - são pequenos diamantes, possuem defeitos de nitrogênio que comportam objetos quânticos. Eles são muito semelhantes a um único átomo congelado. Olhando para esse defeito, pode-se observar mudanças de temperatura dentro de uma única célula. Ou seja, para medir não apenas a temperatura sob o braço,e a temperatura da organela dentro da célula.

O Russian Quantum Center também possui um projeto de diodo de rotação. A idéia é que podemos pegar a antena e começar a coletar com muita eficiência a energia das ondas de rádio de fundo. Basta lembrar quantas fontes Wi-Fi existem atualmente nas cidades para entender que existe muita energia das ondas de rádio por aí. Pode ser usado para sensores vestíveis (por exemplo, para um sensor de açúcar no sangue). Eles precisam de fornecimento constante de energia: uma bateria ou um sistema que coleta energia, inclusive de um telefone celular. Ou seja, por um lado, esses problemas podem ser resolvidos com a base elementar existente com uma certa qualidade e, por outro lado, você pode aplicar tecnologias quânticas e resolver esse problema ainda melhor, ainda mais em miniatura.

A mecânica quântica mudou muito a vida humana. Semicondutores, bomba atômica, energia atômica - todos esses objetos funcionam graças a ela. O mundo inteiro está agora lutando para começar a controlar as propriedades quânticas de partículas únicas, incluindo as entrelaçadas. Por exemplo, três partículas estão envolvidas no teletransporte: um par e o alvo. Mas cada um deles é gerenciado separadamente. O controle individual de partículas elementares abre novos horizontes para a tecnologia, incluindo um computador quântico.

Yuri Kurochkin , candidato a ciências físicas e matemáticas, chefe do laboratório de comunicações quânticas do centro quântico russo.

Teletransporte quântico