Історія розвитку квантової телепортації

На початку 20 століття вчені вважали, що розуміли основні принципи природи. Атоми – це міцний будівельний блок всього створеного на Землі, люди довіряли ньютонівським законам руху і здавалося, що більшість проблем фізики вже вирішено.

Проте, з появою теорії відносності Ейнштейна, яка замінила класичну, ньютонівську, вчені зрозуміли, що їх знання далекі від повноцінних. Цікавість викликала квантова механіка, яка повністю змінила всі фундаментальні закони фізики.

Квантова телепортація стала можливою завдяки квантової заплутаності. Це явище дозволяє створити дві частинки, які повністю залежать одна від одної. Наприклад, у спостерігача є два заплутаних фотонів. Він замірює їх поляризацію або ж напрямок, в якому вони рухаються. Якщо в одного фотона вертикальна поляризація, то в іншого фотона вона буде ідентичною.

Згідно зі стандартної інтерпретації квантової механіки, частки одночасно знаходяться в горизонтальному або вертикальному станові, поки їх не виміряють.

Якщо виміряти одну частинку в заплутаній парі, то як би далеко вона не знаходилася від іншої, вона одразу ж отримує всі властивості. Це ніби дві людини кидали б кубики та завжди отримували б один і той же результат: він завжди випадковий, але ідентичний в обох людей.

Квантова телепортація може допомогти відправити сигнал або передати інформацію. Для цього необхідно три субатомні частинки, наприклад, фотони. Два з них заплутані один з іншим, а третій містить кубіт – квантовий біт, який можна надіслати.

Припустимо, що один фотон із заплутаної пари знаходяться у Києві, а інший – в Полтаві. В Києві вчений вимірює один із заплутаних фотонів і третю частинку одночасно. Він з’ясовує їх характеристики один відносно іншого: однакові вони чи протилежні. Після вимірювання частинки руйнуються.

Припустимо, вчений дізнався, що частинки протилежні. Він передає цю інформацію колезі з Полтави. Полтавський вчений змірює свій заплутаний фотон та знає, що протилежність його вимірювання – біт інформації, яку він повинен був отримати.

Дослідники квантової телепортації зазвичай генерують заплутану пару в одному місці. Вони замірюють стан однієї з заплутаних часточок та зрівнюють її з третьою, яка має в собі біт інформації для його надсилання. Потім за допомогою лазерного променя передають інформацію про відносний стан частинок разом з іншою заплутаною частинкою в інше місце.

Але так, як частинки малі та чуттєві, вони можуть загубитися. Перші експерименти по квантовій телепортації включали в собі передачу частинок на невеликі відстані – кілька сантиметрів. Потім вчені навчилися передавати частинки на кілька кілометрів, а потім на сотні та тисячі кілометрів.

Квантова телепортація здатна допомогти у створенні зверх захищеного квантового інтернету. Тоді проблема з безпекою та зломом була б вирішена назавжди, адже такий інтернет неможливо «хакнути». Спроба підслухати одну з квантових передач назавжди змінить її. Змінену передачу швидко викриють тому, що частинки перестануть бути заплутаними, передача ліквідується повністю. Таким чином, ніхто, хто не має доступу до заплутаної пари частин, не в змозі «хакнути» мережу.

Історія розвитку квантової телепортації

1993 рік

Протягом багатьох років вчені не сприймали ідею телепортації цілком серйозно. Вважалося що вона порушує принцип невизначеності, що забороняє будь-якому вимірювальному або процесу, що сканує добути інформацію з атома або будь-якого іншого об’єкту.

Чим довше сканується об’єкт, тим більше на нього впливає процес сканування. Він продовжується до того часу, поки вихідний стан об’єкту не порушиться настільки, що неможливо буде отримати достатню кількість інформації для створення точної копії. Не можливо виявити всі характеристики для створення нової ідеальної копії.

1993 року в журналі Physical Review Letters шестеро фізиків-теоретиків Чарльз Беннетт (Charles Bennett) з IBM, Жиль Брассар (Gilles Brassard), Клод Крепо (Claude Krepo) та Річард Джозза (Richard Jozza) з Монреальского університету, Ашер Перес (Asher Perez) з Ізраїльського технологічного інституту та Уільям Уотерс (William Waters) з коледжу Уільямс опублікували статтю, де розповіли про використання парадоксу Енштейна-Подольського-Розена, щоб обійти принцип невизначеності.

Вчені описали, що маючи в кожній з лабораторій пару заплутаних частин та можливість обмінюватися двома бітами інформації, можна передати інформацію від першої частинки до другої, яка знаходиться в іншій, віддаленій лабораторії. Квантова інформація з першої частинки зникне та відновиться на іншій завдяки заплутаності.

Тоді ще невідоме квантове явище описали як «телепортинг» та пояснили чим воно відрізняється від популярного явища «телепортації» в художніх творах. Квантова телепортація не передає енергію або тіло на відстані.

1995-1997 роки

Команда Бенетта створила квантову теорію заплутаності та запропонувала декілька методів для точної передачі класичної та квантової інформації через канали шуму.

1997 рік

Під керівництвом Антона Цайлингера (Anton Tsaylinher) з Університету Інсбрука і Франческо де Мартіні (Francesco de Martini) з Університету Риму пройшла перша експериментальна квантова телепортація поляризаційного стану фотона.

2004 рік

В червневому журналі Nature було опубліковано статтю, в якій дві групи вчених розповіли про телепортацію квантового стану атома. Команда американських вчених телепортувала кубіт на основі іону атома берилію, тоді коли австрійська – квантовий стан іона атому кальцію. Ці експерименти дали поштовх у створенні квантових комп’ютерів та реалізації квантової криптографії.

В цьому ж році фізики Віденського університету телепортували фотони на відстань 600 метрів через річку Дунай. Для експерименту вчені використали каналізаційну систему під річкою, по якій протягнули оптоволоконний кабель. За словами вчених, цінність експерименту полягає в тому, що вони провели його в умовах, максимально наближених до реалій.

2006 рік

Вчені вперше передали інформацію між світлом і речовиною: квантами лазерного випромінювання та атомами цезію. Дослідники з Інституту квантової оптики імені Макса Планка в Гархінзі та Інституту Нільса Бора в Копенгагені перенесли квантовий стан світлового імпульсу в мікроскопічний об’єкт – ансамбль, що складається з 10-12 атомів.

2009 рік

Фізики вперше телепортували квантовий стан кубіта на один метр. До цього телепортація вдавалася на більш короткі відстані.

2010 рік

В експерименті фізиків з Науково-технічного університету Китаю та Університету Цинхуя квантовий стан фотонів передалось на 16 км. Середня точність передачі досягнула 89%, що значно перевищило межу попередніх досліджень на 75%. Дослідження тільки підтвердило можливість квантової телепортації в космосі й стало своєрідним кроком вперед у використанні квантової комунікації в глобальному прояві

2012 рік

Група китайських вчених повідомила, що вони провели квантову телепортацію через озеро Цинхай – на відстань 97 км. Попередній рекорд становив 16 км, який був поставлений тими ж китайськими вченими.

Через вісім днів після зізнання китайських вчених європейська та канадська групи розповіли, що передали інформацію з одного Канарського острова до іншого. Таким чином вони збільшили рекордну відстань до 143 км.

2014 рік

Фізики Делфтського технічного університету, що в Нідерландах, продемонстрували квантову телепортацію між двома кубітами, які були віддалені один від одного на три метри. Вчені досягли точної телепортації квантової інформації на короткій відстані. Це стало важливим кроком до створення квантового інтернету.

Через кілька місяців дослідники з Університету в Женеві провели експеримент. Вони телепортували фотон за допомогою оптоволоконного кабелю на рекордну відстань для цього типу передачі – 25 км. Команда зуміла побити свій рекорд, який встановила у 2003 році.

2015 рік

Група вчених з Національного інституту стандартів і технологій США телепортувала фотони по оптоволоконному кабелю на довжину 102 км. Нову технологію можна використовувати для створення пристроїв – квантових ретрансляторів. Вони періодично можуть передавати інформацію, щоб розширити охоплення мережі та, можливо, цього буде цілком достатньо, щоб побудувати квантовий інтернет.

2017 рік

В Китаї було здійснено першу квантову телепортацію з Землі на орбіту. Фізики з Шанхая заявили, що переправили інформацію з квантового супутника під назвою «Мо-цзи» на станцію стеження на Землі. Таким чином вчені-дослідники телепортували одиничні фотони з наземної обсерваторії на супутник на навколоземній орбіті, яка знаходиться на відстані 1400 км. Успішна реалізація проекту відкрила дорогу до далекої телепортації та стала першим кроком на шляху до створення квантового інтернету.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО: