Китайцы первыми продемонстрировали телепортацию на околоземную орбиту. Обмануть легко тех, кто сам обманываться рад

Много лет назад Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». Это действительно контринтуитивная концепция, которая на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Два объекта могут находиться друг от друга на большом расстоянии, но они сохраняют «связь» друг с другом через свои квантовые состояния. Разрушив состояние одного объекта (измерив его), мы тем самым узнаём состояние запутанного с ним объекта, на каком бы расстоянии тот ни находился. То есть квантовое состояние первого объекта в момент измерения как бы переходит ко второму объекту, это образно называют квантовой телепортацией.

Сейчас группа китайских физиков впервые в мире осуществила квантовую телепортацию объекта с Земли на орбиту. Результаты эксперимента с «жутким действием на расстоянии» опубликованы 4 июля 2017 года на сайте препринтов arXiv.org (arXiv:1707.00934).

Специально для этого эксперимента китайцы в прошлом году вывели на солнечно-синхронную орбиту научный спутник Micius. Каждый день он проходит над одной и той же точкой Земли в одно и то же время, что даёт возможность тщательно подготовить эксперимент и провести его в любое время в неизменных условиях, а также повторить при необходимости в тех же условиях. Cпутник Micius оснащён высокочувствительным фотонным детектором и оборудованием для определения квантового состояния отдельных фотонов, отправленных с Земли.

Во время эксперимента квантовая телепортация осуществлялась с разной степенью надёжности (см. диаграмму) на расстоянии 500-1400 км от передатчика до спутника, что является новым мировым рекордом по дальности квантовой телепортации. Раньше такие эксперименты проводились только на Земле, а максимальное расстояние для проверки квантовой запутанности составляло около 100 км. В вакууме передача фотонов происходит более надёжно, они меньше реагируют с окружающими объектами и лучше сохраняют запутанность.


Станция Ngari с передатчиком для эксперимента была построена в горах Тибета на высоте более 4000 м. Станция генерировала запутанные пары фотонов со скоростью 4000 в секунду. Половина из них отправлялась на орбитальную станцию, и там проверялось, сохранилась ли квантовая спутанность после передачи. Вторая половина фотонов оставалась на Земле.

Для улучшения качества передачи исследователи разработали ряд инновационных техник и специальных приборов, в том числе компактный сверхъяркий источник мультифотонного запутывания, аппаратуру для уменьшения расхождения луча, высокоскоростную и высокоточную систему APT (acquiring, pointing, tracking).

Измерения показали, что часть фотонов по прибытии на спутник действительно сохранили запутанность со своими земными «напарниками». В частности, за 32 дня передачи из нескольких миллионов отправленных фотонов запутанными остались 911. Точность передачи составила 0,80±0,01, что заметно превышает классический лимит (см. диаграмму внизу).

Фотоны с одинаковыми квантовыми состояниями с физической точки зрения являются одинаковыми фотонами. Таким образом, можно констатировать, что учёные впервые в истории провели телепортацию объекта с поверхности Земли на орбиту. Ну а в практическом смысле это первый рабочий аплинк по надёжной передаче квантовой информации на очень большие расстояния - с Земли на спутник. Авторы считают, что это важный шаг к созданию квантового интернета в глобальном масштабе.

Теоретически не существует максимального ограничения на расстояние для измерения запутанности, то есть квантовой телепортации. На практике же квантовое состояние фотонов очень хрупкое и разрушается в результате реакции с окружающей средой, поэтому очень важно разработать технологии надёжной передачи запутанных фотонов на большие расстояния.

Квантовая телепортация может найти применение в разных областях: «Телепортация на большие расстояния считается фундаментальным элементом в протоколах, таких как крупномасштабные квантовые сети и распределённые квантовые вычисления, - пишет группа китайских учёных в реферате к научной статье. - Для создания „квантового интернета” в глобальном масштабе требуется значительно расширить расстояние для передачи информации. Многообещающей технологией для этого является использование спутниковой платформы и спутникового канала связи, который может удобно связать две дистанционно удалённые точки на Земле с относительно небольшой потерей сигнала, потому что большую часть пути фотоны проходят в вакууме.

Другим странам теперь будет трудно побить рекорд Китая по дальности квантовой телепортации, потому что ни Евросоюз, ни США не планировали запускать спутники с фотодетекторами специально для такого эксперимента в космосе, а сохранить квантовую запутанность на Земле в оптоволокне длиной 1400 км невероятно трудно.

Система для подготовки запутанных состояний и передаваемых состояний к телепортации

Команда миссии спутника квантовой связи QUESS (иначе, «Мо-Цзы») сообщила о первых успехах в телепортации фотонов с поверхности Земли на орбиту. В рамках месячного эксперимента физикам удалось осуществить телепортацию 911 фотонов на расстояние от 500 до 1400 километров. Это рекордные дистанции для квантовой телепортации. Препринт исследования опубликован на сервере arXiv.org, кратко о нем сообщает MIT Technology Review.

Квантовая телепортация заключается в передаче квантового состояния одной частицы другой частице без непосредственного переноса первой частицы в пространстве. Чтобы телепортировать, например, поляризацию фотона потребуется пара квантово запутанных частиц. Одну из запутанных частиц должен держать у себя отправитель квантового состояния, а вторую - получатель. Затем отправитель производит измерение одновременно над передаваемой частицей и одной из частиц запутанной пары. Квантовая запутанность устроена таким образом, что две частицы ведут себя как единая система - запутанная частица у получателя чувствует, что с ее парой провели измерение и изменяет свое состояние. Зная результат измерения на стороне отправителя (его можно отправить по обычному каналу) можно получить точную копию отправляемой частицы - сразу у получателя. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале квантовой азбуки: « ».

Ранее расстояние для телепортации ограничивалось десятками километров - в 2012 году австрийские физики телепортировали состояния фотонов между Ла Палма и Тенерифе (143 километра). Новая работа преодолевает этот рубеж и улучшает его в несколько раз.

Одна из главных задач для телепортации - распределение запутанных фотонов между отправителем (на Земле) и получателем (спутником) - уже была решена физиками. Работа по созданию запутанной пары, разделенной на 1200 километров была месяц назад в журнале Science . С использованием этих пар оставалось только экспериментально продемонстрировать саму телепортацию.

Схема эксперимента

Ji-Gang Ren et al. / arXiv.org, 2017

В новой работе авторы использовали генератор запутанных фотонов, установленный не на спутнике, а на Земле, в обсерватории Нгари (Тибет). Он создавал свыше четырех тысяч запутанных пар в секунду, один фотон из каждой отправлялся лучом лазера к спутнику, который пролетал над генератором каждую полночь. Сначала ученые показали, что квантовая запутанность сохраняется между Землей и спутником, а затем провели телепортацию поляризации фотона. В действительности, для надежной проверки телепортации ученым требовалось создавать не одну, а сразу две запутанных пары фотонов.

Самые большие потери были связаны с турбулентностью и неоднородностью атмосферы Земли. Эти эффекты приводят к уширению пучка запутанных фотонов и их рассеянию - а значит меньше частиц долетает до спутника.

Всего удалось успешно телепортировать 911 частиц - а за время всего эксперимента были подготовлены и переданы миллионы фотонных пар. Авторы отмечают, что точность телепортации достигает 80 процентов, а потери составляют от 41 до 52 децибел (долетает один фотон из 100 тысяч). Если передавать аналогичный сигнал по 1200-километровому оптоволокну с уровнем потерь 0,2 децибела на километр, то на передачу хотя бы одного фотона уйдет время в 20 раз большее, чем время жизни Вселенной.

Квантовая телепортация - одна из важных методик передачи данных в квантовой телекоммуникации. Она необходима при разработке глобального «квантового интернета» с идеально защищенными каналами связи (на уровне физических законов, запрещающих клонировать квантовые состояния). В прошлом году протоколы квантовой телепортации физики на городских оптоволоконных линиях.

Владимир Королёв

Будущая телепортация - лишь первый этап целой серии опытов.

Владивосток, ИА Приморье24. Будущим летом китайские ученые планируют провести первый в мире эксперимент по осуществлению квантовой телепортации, сообщает Версия.

Заявленное расстояние, на которое переместятся частицы, составляет 1200 километров.О планах ученых из Поднебесной рассказывает Nature News. Известно, что в рамках испытания специалисты в июне текущего года запустят околоземный спутник. Он выступит связующим звеном между двумя земными станциями.Известно, что специалисты планируют отправить частицы из Китая в Вену. Перед тем, как запустить так называемый "телепорт", ученые собираются выяснить, насколько надежна криптографическая связь между городами.В роли телепорта выступит спутник - именно он осуществит бесконтактное перемещение фотонов. Расстояние между станциями в Европе и Китае составляет более 1200 километров.Успешность испытания, по словам ученых, не вызывает сомнения. То, что квантовая телепортация может быть осуществлена на любые, в том числе и самые большие расстояния, стало известно еще в середине прошлого века.

По словам физиков, будущая телепортация частиц из Китая в Европу при помощи спутника - лишь первый этап целой серии опытов. В дальнейшем ученые планируют провести аналогичный опыт с участием станций на спутнике, Земле и Луне.Процесс квантовой телепортации - это передача квантового состояния определенных частиц на любое расстояние. Для его осуществления специалисты берут спаренную квантовую частицу и разделяют ее на доли. Согласно правилам квантовой механики, в случае отдаления парных частиц друг от друга, каждая из долей сохраняет информацию о своем партнере.Аналогичное исследование уже проводили сотрудники американского университета. Им удалось осуществить квантовую телепортацию на 102 километра. Для осуществления процесса специалисты использовали не спутник, а оптическое волокно.Несмотря на то, что парные фотоны были разнесены на расстояние более ста километров, изменение состояния одного из них сказалось на другом

Китайские ученые летом 2016 года проведут первый в мире эксперимент по осуществлению квантовой телепортации на расстояние более 1200 километров. Об этом сообщает Nature News.

Для эксперимента ученые планируют запустить в июне 2016 года спутник. Таким образом, физики надеются осуществить квантовую телепортацию состояний частиц между космосом и наземными станциями.

На первом этапе опытов ученые собираются проверить надежность криптографической связи между Пекином и Веной, посредником в которой выступит околоземный спутник.

На втором этапе ученые через спутник осуществят квантовую телепортацию фотонов между станциями в Дэлинхе и в Лицзяне (или Наньшане). Расстояние между пунктами превышает 1200 километров.

Ква́нтовая телепортация - передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в пространстве сцепленной (запутанной) пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения, после чего воссоздаётся в точке приёма. Термин установился благодаря опубликованной в 1993 году статье в журнале «Physical Review Letters», где описано, какое именно квантовое явление предлагается называть «телепортацией» (англ. teleporting) и чем оно отличается от популярной в научной фантастике «телепортации». Квантовая телепортация не передаёт энергию или вещество на расстояние. Обязательным этапом при квантовой телепортации является передача информации между точками отправления и приёма по классическому, неквантовому каналу, которая может осуществляться не быстрее, чем со скоростью света, тем самым не нарушая принципы современной физики.

При осуществлении квантовой телепортации помимо передачи информации по квантовому каналу, необходимо также осуществить передачу дополнительной информации, необходимой для прочтения сообщения, по классическому каналу. Для передачи «квантовой части» используются характерные для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна - Подольского - Розена, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи.

Для простоты рассмотрим квантовую систему с двумя возможными состояниями \psi_1 и \psi_2 (например, проекцию спина электрона или фотона на заданную ось). Такие системы часто называют кубитами. Однако описанный ниже способ пригоден для передачи состояния любой системы, имеющей конечное число состояний.

Пусть у отправителя есть частица А, находящаяся в произвольном квантовом состоянии \psi_A = \alpha \psi_1 + \beta \psi_2, и он хочет передать это квантовое состояние получателю, то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица B в том же самом состоянии. Иными словами, необходимо передать отношение двух комплексных чисел \alpha и \beta (с максимальной точностью). Заметим, что главная цель здесь - это передать информацию не как можно быстрее, а как можно точнее. Для достижения этой цели выполняются следующие шаги.

Отправитель и получатель договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадёт отправителю, а B - получателю. Поскольку эти частицы запутаны, то каждая из них не обладает своей волновой функцией (вектором состояния), но вся пара целиком (а точнее, интересующие нас степени свободы) описываются единым четырёхмерным вектором состояния \psi_{BC}.

Квантовая система частиц A и C имеет четыре состояния, однако мы не можем описать её состояние вектором - чистым (полностью определённым) состоянием обладает лишь система из трёх частиц A, B, C. Когда отправитель совершает измерение, имеющее четыре возможных исхода, над системой из двух частиц A и C, он получает одно из 4 собственных значений измеряемой величины. Поскольку при этом измерении система из трёх частиц A, B, C коллапсирует в некое новое состояние, причём состояния частиц A и C становятся известны полностью, то сцепленность разрушается и частица B оказывается в некотором определённом квантовом состоянии.

Именно в этот момент происходит как бы «передача» «квантовой части» информации. Однако восстановить передаваемую информацию пока невозможно: получатель знает, что состояние частицы B как-то связано с состоянием частицы A, но не знает как именно!

Для выяснения этого необходимо, чтобы отправитель сообщил получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения (затратив при этом два бита, соответствующие зацепленному состоянию AC, измеренному отправителем). По законам квантовой механики получается, что, имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C, и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.

Полная передача информации осуществится только после того, как получатель будет обладать данными, полученными по обоим каналам. До того как получен результат по классическому каналу, получатель ничего не может сказать о переданном состоянии.

Фантастическое понятие телепортации происходит из специфичной интерпретации эксперимента: «исходное состояние частицы A после всего произошедшего разрушается. То есть состояние было не скопировано, а перенесено из одного места в другое».

Экспериментальная реализация

Экспериментальная реализация квантовой телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена в 1997 году почти одновременно группами физиков под руководством Антона Цайлингера (Университет Инсбрука) и Франческо де Мартини (Университет Рима).

В журнале Nature за 17 июня 2004 года было объявлено об успешном экспериментальном наблюдении квантовой телепортации квантового состояния атома сразу двумя исследовательскими группами: M.Riebe et al., Nature 429, 734-737 (телепортация квантового состояния иона атома кальция) и M.D.Barrett et al., Nature 429, 737-739 (телепортация кубита на основе иона атома бериллия). Несмотря на поднявшуюся шумиху в средствах массовой информации, эти эксперименты вряд ли можно назвать прорывом: скорее это просто очередной большой шаг в направлении создания квантовых компьютеров и реализации квантовой криптографии.

В 2006 году была впервые осуществлена телепортация между объектами разной природы - квантами лазерного излучения и атомами цезия. Успешный эксперимент был произведен исследовательской группой из Института Нильса Бора в Копенгагене.

23 января 2009 года учёным впервые удалось телепортировать квантовое состояние иона на один метр.

10 мая 2010 года в эксперименте, поставленном физиками из Научно-технического университета Китая и Университета Цинхуа, проводилась передача квантового состояния фотона на 16 километров.

В 2012 году китайским физикам удалось за 4 часа передать 1100 запутанных фотонов на расстояние 97 километров.

В сентябре 2012 года физики из Университета Вены и Академии наук Австрии установили новый рекорд в квантовой телепортации - 143 километра

В сентябре 2015 года учёным из Национального института стандартов и технологий США удалось телепортировать фотоны по оптоволокну на расстояние свыше 100 км. В ходе эксперимента использовался однофотонный детектор со сверхпроводящими кабелями на силициде молибдена при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Провела спутниковый эксперимент по передаче квантовых состояний между парами запутанных фотонов (так называемая квантовая телепортация) на рекордное расстояние — более 1200 км.

Явление (или спутанности) возникает при взаимозависимости (коррелированности) состояний двух или большего числа частиц, которые можно разнести на сколь угодно далекие расстояния, но при этом они продолжают «чувствовать» друг друга. Измерение параметра одной частицы приводит к моментальному разрушению запутанного состояния другой, что сложно представить без понимания принципов квантовой механики, тем более что частицы (это было специально показано в экспериментах по нарушению так называемых неравенств Белла) не обладают никакими скрытыми параметрами, в которых бы сохранялась информация о состоянии «компаньона», и при этом мгновенное изменение состояния не приводит к нарушению принципа причинности и не позволяет передавать таким образом полезную информацию.

Для передачи реальной информации дополнительно необходимо участие частиц, движущихся со скоростью, не превышающей световую. В качестве запутанных частиц могут выступать, например, фотоны, имеющие общего прародителя, а в качестве зависимого параметра используется, скажем, их спин.

К передаче состояний запутанных частиц на все более дальние расстояния и в самых экстремальных условиях проявляют интерес не только ученые, занимающиеся фундаментальной физикой, но и инженеры, проектирующие защищенные коммуникации. Считается, что явление запутанности частиц в перспективе предоставит нам в принципе невзламываемые каналы связи. «Защитой» в этом случае послужит неизбежное уведомление участников разговора о том, что в их связь вмешался некто третий.

Свидетельством этому станут нерушимые законы физики — необратимый коллапс волновой функции.

Прототипы устройств для осуществления подобной защищенной квантовой связи уже созданы, однако возникают и идеи по компрометации работы всех этих «абсолютно защищенных каналов», например путем обратимых слабых квантовых измерений, поэтому до сих пор неясно, сможет ли квантовая криптография выйти из стадии испытания прототипов, не окажутся ли все разработки заранее обреченными и непригодными для практического применения.

Еще один момент: передача запутанных состояний осуществлялась до сих пор лишь на расстояния, не превышающие 100 км, из-за потерь фотонов в оптоволокне или в воздухе, поскольку вероятность того, что хотя бы часть фотонов доберется до детектора, становится исчезающе малой. Время от времени появляются сообщения об очередном достижении на этом пути, но охватить подобной связью весь земной шар пока не представляется возможным.

Так, в начале этого месяца канадские физики объявили об успешных попытках связаться по защищенному квантовому каналу с самолетом, но он находился лишь в 3-10 км от передатчика.

Одним из способов кардинального улучшения распространения сигнала признан так называемый протокол квантовых повторителей, но и его практическая ценность остается под вопросом из-за необходимости решения целого ряда сложных технических моментов.

Другой подход как раз и заключается в использовании спутниковых технологий, поскольку спутник может оставаться в прямой видимости одновременно для разных весьма отдаленных мест на Земле. Основным преимуществом такого подхода может быть то, что большая часть пути прохождения фотонов окажется практически в вакууме с почти нулевым поглощением и исключением декогеренции (нарушение когерентности, обусловленное взаимодействием частиц с окружающей средой).

Чтобы продемонстрировать целесообразность спутниковых экспериментов, китайские специалисты проводили предварительные наземные испытания, которые продемонстрировали успешное двунаправленное распространение запутанных пар фотонов через открытую среду на расстояния 600 м, 13 и 102 км с эффективной потерей канала 80 дБ. Были также проведены эксперименты по передаче квантовых состояний на движущихся платформах в условиях высоких потерь и турбулентности.

После подробных технико-экономических обоснований при участии австрийских ученых был разработан спутник стоимостью $100 млн, запущенный 16 августа 2016 года с космодрома Цзюцюань в пустыне Гоби с помощью ракеты-носителя «Чанчжэн-2D» на орбиту высотой 500 км.

Спутник получил наименование «Мо-цзы» в честь древнекитайского философа V века до н.э., основателя моизма (учение о всеобщей любви и государственном консеквенциализме). На протяжении нескольких столетий в Китае моизм успешно конкурировал с конфуцианством, пока последний не был принят в качестве государственной идеологии.

Поддержку миссии «Мо-цзы» обеспечивают три наземные станции: в Дэлинхе (провинция Цинхай), Наньшань в Урумчи (Синьцзян) и обсерватория GaoMeiGu (GMG) в Лицзяне (провинция Юньнань). Расстояние между Дэлинхе и Лицзянем составляет 1203 км. Расстояние между орбитальным спутником и этими наземными станциями колеблется в пределах 500-2000 км.

Из-за того что запутанные фотоны не могут быть просто «усилены», как классические сигналы, необходимо было разработать новые методы для уменьшения затухания в каналах передачи между Землей и спутниками. Чтобы добиться нужной эффективности связи, потребовалось достичь одновременно и минимальной расходимости пучков, и высокоскоростного и высокоточного наведения на детекторы.

Разработав ультраяркий космический источник двухфотонных запутываний и высокоточную технологию APT (acquiring, pointing, and tracking), группа установила «квантовое сцепление» между парами фотонов, разделенных 1203 км, ученые провели так называемое тестирование Белла для проверки нарушений локальности (возможность мгновенно повлиять на состояние удаленной частицы) и получили результат со статистической значимостью четыре сигма (среднеквадратических отклонения).

Схема источника фотонов на спутнике. Толщина кристалла KTiOPO4 (PPKTP) составляет 15 мм. Пара внеосевых вогнутых зеркал фокусирует лазер накачки (PL) в центре кристалла PPKTP. На выходе интерферометра Саньяка используются два дихроматических зеркала (DM) и фильтры для отделения сигнальных фотонов от лазера накачки. Два дополнительных зеркала (PI), дистанционно управляемые с Земли, используются для точной регулировки направления луча для оптимальной эффективности сбора пучка. QWP - четвертьволновая фазовая секция; HWP - полуволновая фазовая секция; PBS - поляризационный светоделитель.

По сравнению с предыдущими методами с использованием самых распространенных коммерческих образцов телекоммуникационного оптоволокна эффективность спутникового соединения оказалась на много порядков выше, что, по мнению авторов исследования, открывает ему путь к практическим применениям, ранее недоступным на Земле.