Квантовая телепортация

Квантовая телепортация — это технология передачи квантового состояния (информации, закодированной в квантовой системе) на расстояние с использованием квантовой запутанности и классического канала связи, при которой исходный носитель состояния разрушается, а на приёмной стороне создаётся точная копия исходного состояния. Квантовая телепортация не подразумевает перемещения материи или энергии, а только перенос квантовой информации, что делает её фундаментально отличной от телепортации, описываемой в научной фантастике.

История

Теоретическая основа квантовой телепортации была заложена в 1993 году группой исследователей, включавшей Чарльза Беннетта, Жиля Брассара, Клода Крепо, Ричарда Джозу, Ашера Переса и Уильяма Вуттерса. В своей работе «Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels» они предложили протокол, позволяющий передавать неизвестное квантовое состояние между двумя удалёнными сторонами (Алисой и Бобом) с использованием предварительно распределённой запутанной пары частиц и классической связи.

Первое экспериментальное подтверждение квантовой телепортации было получено в 1997 году группой Антона Цайлингера в Университете Инсбрука (Австрия). Учёные телепортировали состояние фотона на расстояние около 0,6 метра. В 1998 году аналогичный эксперимент был независимо проведён группой Джеффа Кимбла в Калифорнийском технологическом институте (США). В 2004 году группа Цайлингера впервые осуществила телепортацию между фотонами, разнесёнными на 600 метров через реку Дунай.

В 2012 году китайские и австрийские учёные достигли рекордного расстояния для квантовой телепортации по открытому воздуху — 97 километров. В 2017 году группа китайских учёных под руководством Цзяньвэя Паня с помощью спутника «Мо-Цзы» (Micius) впервые осуществила квантовую телепортацию состояния фотона с Земли на спутник, находящийся на низкой околоземной орбите (расстояние до 1400 километров). В 2020 году та же группа сообщила о телепортации между двумя наземными станциями, разделёнными расстоянием более 1000 километров, с использованием спутникового ретранслятора.

Физические основы

Квантовая телепортация основана на трёх ключевых принципах квантовой механики: квантовая суперпозиция, квантовая запутанность и принцип неопределённости Гейзенберга.

Квантовая запутанность

Квантовая запутанность — это явление, при котором квантовые состояния двух или более частиц оказываются взаимосвязанными, так что измерение состояния одной частицы мгновенно определяет состояние другой, независимо от расстояния между ними. Эта корреляция не может быть объяснена классической физикой и является основой для квантовой телепортации. Для телепортации используется запутанная пара частиц (обычно фотонов), одна из которых находится у отправителя (Алисы), а другая — у получателя (Боба).

Протокол телепортации

Протокол квантовой телепортации включает следующие этапы:

1. Подготовка запутанной пары: Создаётся пара запутанных частиц (например, фотонов), одна из которых отправляется Алисе, а другая — Бобу.
2. Взаимодействие с исходной частицей: Алиса получает частицу, квантовое состояние которой необходимо телепортировать (назовём её частицей X). Она проводит совместное измерение (измерение Белла) над своей частью запутанной пары и частицей X. Это измерение разрушает исходное состояние частицы X и запутывает её с частицей Алисы.
3. Передача классической информации: Результат измерения Белла (один из четырёх возможных исходов) передаётся Бобу по обычному классическому каналу связи (например, по оптоволокну или радиоканалу).
4. Восстановление состояния: Боб, получив классическую информацию, применяет к своей части запутанной пары одно из четырёх возможных унитарных преобразований (квантовых операций). В результате его частица приобретает в точности то же квантовое состояние, которое имела исходная частица X до телепортации.

Важно, что исходная частица X после измерения Белла перестаёт существовать в своём первоначальном состоянии. Таким образом, квантовая телепортация не создаёт копию, а переносит состояние, что соответствует принципу запрета клонирования в квантовой механике.

Классификация

Квантовую телепортацию можно классифицировать по нескольким признакам:

По типу носителя

• Фотонная телепортация: Наиболее распространённый тип, использующий фотоны как носители квантовой информации. Реализована на расстояниях до тысяч километров.
• Телепортация на атомах: Эксперименты с атомами (например, ионами кальция или рубидия) в ловушках. Достигнута телепортация между атомами на расстоянии до нескольких метров.
• Твёрдотельная телепортация: Телепортация между кубитами в твёрдотельных системах (например, на основе сверхпроводников или квантовых точек). Обычно на малых расстояниях (микрометры — миллиметры).

По типу используемой запутанности

• Дискретная телепортация: Использует запутанность в дискретных степенях свободы (например, поляризация фотонов).
• Непрерывная телепортация: Использует запутанность в непрерывных переменных (например, амплитуда и фаза электромагнитного поля). Позволяет передавать состояния с непрерывным спектром.

По расстоянию

• Лабораторная телепортация: На расстояниях от нескольких сантиметров до десятков метров.
• Городская телепортация: На расстояниях до нескольких километров (например, через оптоволокно).
• Спутниковая телепортация: На расстояниях от сотен до тысяч километров с использованием спутников.

Применение

Квантовая телепортация имеет ключевое значение для развития квантовых технологий:

Квантовая связь

Квантовая телепортация является основой для создания квантовых сетей связи. Она позволяет передавать квантовую информацию между узлами сети без потери состояния, что необходимо для построения квантового интернета. В отличие от прямой передачи фотонов, телепортация не подвержена затуханию сигнала на больших расстояниях, так как квантовая информация передаётся через классический канал, а запутанность обеспечивает корреляцию.

Квантовые повторители

Квантовая телепортация используется в концепции квантовых повторителей — устройств, которые позволяют расширять расстояние квантовой связи за пределы, ограниченные затуханием в оптоволокне. Повторитель принимает квантовое состояние, телепортирует его на следующий сегмент, и так далее, что позволяет создавать глобальные квантовые сети.

Квантовые вычисления

В квантовых компьютерах телепортация может использоваться для перемещения квантовой информации между разными частями процессора, а также для реализации квантовых логических операций. Протоколы телепортации лежат в основе некоторых архитектур квантовых вычислений, например, в топологических квантовых компьютерах.

Квантовая криптография

Квантовая телепортация может быть использована для распределения квантовых ключей (QKD) с повышенной безопасностью. В некоторых протоколах QKD, таких как протокол на основе квантовой телепортации, ключ генерируется с использованием запутанных состояний и телепортации, что обеспечивает защиту от перехвата.

Критика и ограничения

Квантовая телепортация не нарушает специальную теорию относительности, так как классическая информация (результаты измерений) передаётся со скоростью, не превышающей скорость света. Сама телепортация не является мгновенной — она требует времени на передачу классической информации. Кроме того, телепортация не может быть использована для передачи материи или энергии, а только квантовой информации.

Практические ограничения включают:

• Деградация запутанности: Квантовая запутанность чувствительна к внешним воздействиям (шум, температура, вибрации), что ограничивает время и расстояние, на которых она может поддерживаться.
• Необходимость классического канала: Для завершения телепортации требуется передача классической информации, что ограничивает скорость процесса.
• Сложность масштабирования: Создание и поддержание запутанных состояний для большого числа кубитов является технически сложной задачей.

Интересные факты

• В 2017 году китайский спутник «Мо-Цзы» (названный в честь древнекитайского философа) осуществил первую в мире квантовую телепортацию с Земли на орбиту. Спутник также использовался для квантового распределения ключей между Пекином и Веной.
• В 2020 году исследователи из Калифорнийского технологического института и Лаборатории реактивного движения NASA (США) впервые осуществили квантовую телепортацию состояния фотона на расстояние более 44 километров через оптоволокно с использованием обычной интернет-инфраструктуры.
• В 2022 году группа учёных из Университета науки и технологии Китая (USTC) сообщила о телепортации квантового состояния между двумя узлами, разделёнными расстоянием 1000 километров, с использованием спутника-ретранслятора.
• В 2023 году исследователи из Университета Оксфорда (Великобритания) впервые продемонстрировали квантовую телепортацию логических операций (квантовых вентилей) между двумя удалёнными квантовыми процессорами.

Источники

• Bennett, C. H., Brassard, G., Crépeau, C., Jozsa, R., Peres, A., & Wootters, W. K. (1993). Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels. Physical Review Letters, 70(13), 1895–1899.
• Bouwmeester, D., Pan, J. W., Mattle, K., Eibl, M., Weinfurter, H., & Zeilinger, A. (1997). Experimental quantum teleportation. Nature, 390(6660), 575–579.
• Furusawa, A., Sørensen, J. L., Braunstein, S. L., Fuchs, C. A., Kimble, H. J., & Polzik, E. S. (1998). Unconditional quantum teleportation. Science, 282(5389), 706–709.
• Ren, J. G., Xu, P., Yong, H. L., et al. (2017). Ground-to-satellite quantum teleportation. Nature, 549(7670), 70–73.
• Liao, S. K., Cai, W. Q., Liu, W. Y., et al. (2017). Satellite-to-ground quantum key distribution. Nature, 549(7670), 43–47.
• Yin, J., Li, Y. H., Liao, S. K., et al. (2020). Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres. Nature, 582(7813), 501–505.
• Pirandola, S., Eisert, J., Weedbrook, C., Furusawa, A., & Braunstein, S. L. (2015). Advances in quantum teleportation. Nature Photonics, 9(10), 641–652.