Квантавая тэлепартацыя

Квантавая тэлепартацыя — перадача квантавага стану на адлегласць пры дапамозе раз’яднанай у прасторы счэпленай (заблытанай) пары і класічнага канала сувязі, пры якой стан разбураецца ў пункце адпраўлення пры правядзенні вымярэння, пасля чаго ўзнаўляецца ў пункце прыёму. Тэрмін усталяваўся дзякуючы апублікаванаму ў 1993 годзе артыкулу ў часопісе «Physical Review Letters», дзе апісана, якую менавіта квантавую з’яву прапануецца называць «тэлепартацыяй» (англ.: teleporting) і чым яна адрозніваецца ад папулярнай у навуковай фантастыцы «тэлепартацыі». Квантавая тэлепартацыя не перадае энергію або рэчыва на адлегласць. Абавязковым этапам пры квантавай тэлепартацыі з’яўляецца перадача інфармацыі паміж пунктамі адпраўлення і прыёму па класічнаму, неквантаваму каналу, якая можа ажыццяўляцца не хутчэй, чым са скорасцю святла, тым самым не парушаючы прынцыпаў сучаснай фізікі.

Апісанне эксперыменту

Пры ажыццяўленні квантавай тэлепартацыі акрамя перадачы інфармацыі па квантавым канале, неабходна таксама ажыццявіць перадачу дадатковай інфармацыі, неабходнай для чытання паведамленні, па класічным канале. Для перадачы «квантавай часткі» выкарыстоўваюцца характэрныя для квантава-заблытаных часціц карэляцыі Эйнштэйна — Падольскага — Розена, а для перадачы класічнай інфармацыі падыходзіць любы звычайны канал сувязі.

Для прастаты разгледзім квантавую сістэму з двума магчымымі станамі $\psi _{1}$ і $\psi _{2}$ (напрыклад, праекцыю спіна электрона або фатона на зададзеную вось). Такія сістэмы часта называюць кубітамі. Аднак апісаны ніжэй спосаб прыдатны для перадачы стану любой сістэмы, якая мае канечны лік станаў.

Няхай у адпраўніка ёсць часціца А, якая знаходзіцца ў адвольным квантавым стане $\psi _{A}=\alpha \psi _{1}+\beta \psi _{2}$, і ён хоча перадаць гэты квантавы стан атрымальніку, гэта значыць зрабіць так, каб у атрымальніка апынулася ў распараджэнні часціца B ў тым жа самым стане. Іншымі словамі, неабходна перадаць адносіну двух камплексных лікаў $\alpha$ і $\beta$ (з максімальнай дакладнасцю). Заўважым, што галоўная мэта тут — гэта перадаць інфармацыю не як мага хутчэй, а як мага дакладней. Для дасягнення гэтай мэты выконваюцца наступныя крокі.

1. Адпраўнік і атрымальнік дамаўляюцца загадзя аб стварэнні пары квантава-заблытаных часціц C і B, прычым C патрапіць адпраўніку, а B — атрымальніку. Паколькі гэтыя часціцы заблытаныя, то кожная з іх не валодае сваёй хвалевай функцыяй (вектарам стану), але ўся пара цалкам (а дакладней, нас цікавяць ступені свабоды) апісваюцца адзіным чатырохмерным вектарам стану $\psi _{BC}$.
2. Квантавая сістэма часціц A і C мае чатыры станы, аднак мы не можам апісаць яе стан вектарам — чыстым (цалкам вызначаным) станам валодае толькі сістэма з трох часціц A, B, C. Калі адпраўнік здзяйсняе вымярэнне, якое мае чатыры магчымыя зыходы, над сістэмай з дзвюх часціц A і C, ён атрымлівае адно з чатырох уласных значэнняў вымяранай велічыні. Паколькі пры гэтым вымярэнні сістэма з трох часціц A, B, C калапсуе ў нейкі новы стан, прычым станы часціц A і C становяцца вядомыя цалкам, то счапленне разбураецца, і часціца B аказваецца ў некаторым вызначаным квантавым стане.
3. Менавіта ў гэты момант адбываецца як бы «перадача» «квантавай часткі» інфармацыі. Аднак аднавіць пераданую інфармацыю пакуль немагчыма: атрымальнік ведае, што стан часціцы B неяк звязаны са станам часціцы A, але не ведае як менавіта!
4. Для высвятлення гэтага неабходна, каб адпраўнік паведаміў атрымальніку па звычайнаму класічнаму каналу вынік свайго вымярэння (затраціўшы пры гэтым два біты, якія адпавядаюць зачэпленаму стану AC, вымеранаму адпраўшчыкам). Па законах квантавай механікі атрымліваецца, што, маючы вынік вымярэння, праведзенага над парай часціц A і C, і ў дадатак заблытаную з C часціцу B, атрымальнік зможа здзейсніць неабходнае пераўтварэнне над станам часціцы B і аднавіць зыходны стан часціцы A.

Поўная перадача інфармацыі ажыццявіцца толькі пасля таго, як атрымальнік будзе валодаць дадзенымі, атрыманымі па абодвух каналах. Да таго як атрыманы вынік па класічнаму каналу, атрымальнік нічога не можа сказаць пра перададзеным стане.

Фантастычнае паняцце тэлепартацыі паходзіць са спецыфічнай інтэрпрэтацыі эксперыменту: «зыходны стан часціцы A пасля ўсяго, што адбылося разбураецца. Гэта значыць стан быў не скапіраваны, а перанесены з аднаго месца ў другое».

Эксперыментальная рэалізацыя

• Эксперыментальная рэалізацыя квантавай тэлепартацыі палярызацыйнага стану фатона была ажыццёўлена ў 1997 годзе амаль адначасова групамі фізікаў пад кіраўніцтвам Антона Цайлінгера (Універсітэт Інсбрука) і Франчэска дэ Марціні (Універсітэт Рыма).

• У часопісе Nature за 17 чэрвеня 2004 года было абвешчана аб паспяховым эксперыментальным назіранні квантавай тэлепартацыі квантавага стану атама адразу дзвюма даследчымі групамі: M.Riebe et al., Nature 429, 734—737 (тэлепартацыя квантавага стану іона атама кальцыю) і MDBarrett et al., Nature 429, 737—739 (тэлепартацыя кубіта на аснове іона атама берылію). Нягледзячы на шуміху ў сродках масавай інфармацыі, гэтыя эксперыменты наўрад ці можна назваць прарывам: хутчэй гэта проста чарговы вялікі крок у напрамку стварэння квантавых камп’ютараў і рэалізацыі квантавай крыптаграфіі.

• У 2006 годзе была ўпершыню ажыццёўлена тэлепартацыя паміж аб’ектамі рознай прыроды — квантамі лазернага выпраменьвання і атамамі цэзію. Паспяховы эксперымент быў праведзены даследчай групай з Інстытута Нільса Бора ў Капенгагене.

• 23 студзеня 2009 года навукоўцам упершыню ўдалося тэлепартаваць квантавы стан іона на адзін метр.

• 10 мая 2010 года ў эксперыменце, пастаўленым фізікамі з Навукова-тэхнічнага ўніверсітэта Кітая і Універсітэта Цінхуа, праводзілася перадача квантавага стану фатона на 16 кіламетраў.

• У 2012 годзе кітайскім фізікам удалося за 4 гадзіны перадаць 1100 заблытаных фатонаў на адлегласць 97 кіламетраў.

• У верасні 2012 года Фізікі з Універсітэта Вены і Акадэміі навук Аўстрыі ўстанавілі новы рэкорд у квантавай тэлепартацыі — 143 кіламетры.

Гл. таксама

• Квантавая заблытанасць
• Квантавы камп'ютар
• Квантавая інфармацыя
• Квантавая крыптаграфія
• Квантавы алгарытм
• Тэарэма аб забароне кланіравання

Літаратура

• Телепортация: прыжок в невозможное / Дэвид Дарлинг. — Москва, 2008. — 300 с. — (Открытия, которые потрясли мир). — 3 100 экз. — ISBN 978-5-699-23980-1.
• Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002. 376 с. Глава 3.
• Kilin S.Ya. Quanta and information / Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90.
• Килин С. Я. Квантовая информация / Успехи Физических Наук. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527. [1]
• Белокуров В. В., Тимофеевская О. Д., Хрусталев О. А. Квантовая телепортация — обыкновенное чудо. Москва, Ижевск: Изд-во: Регулярная и хаотическая динамика, 2000. 172 с. http://books.prometey.org/download/14171.html http://quantumtheory.ru/read/ru/5C83EBAA0666885492E275916BE83723CCFFEE2D/

Спасылкі

• Экспериментально подтверждена квантовая телепортация на расстояние в один метр
• Квантовая телепортация переместила фотоны на рекордное расстояние Архівавана 13 красавіка 2021.
• http://www.research.ibm.com/quantuminfo/teleportation/ Архівавана 7 студзеня 2011.
• Квантовая телепортация. Передача Гордона http://www.mi.ras.ru/~volovich/lib/vol-acc.htm
• Менский М. Б. Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новые формулировки старых вопросов