Квантова телепортація все, що ви хотіли дізнатися, але боялися спитати
Минулого місяця відбулися одразу дві цікаві події у сфері квантових технологій: китайські вчені телепортували фотони світла з наземної станції на космічний супутник і відбулася щорічна конференція провідних експертів квантової фізики в Москві. Видання Business Insider вдалося зловити на ній доктора Юджина Ползіка з Інституту Нільса Бора, одного з провідних фахівців квантової телепортації, і розпитати його з різних питань, включаючи видатний успіх його китайських колег.
"Телепортації подібного роду проводилися в лабораторних умовах починаючи ще з 1997 року, проте китайським вченим вдалося досягти цього дивовижного технологічного ефекту на великій відстані", - зазначив Ползік.
Ми давно мріємо про подібну технологію із «Зоряного шляху», хоча наша інтуїція завжди говорила про те, що телепортація в принципі неможлива. Однак фізика нашого реального світу, в якому ми щоденно перебуваємо, мало схожа на фізику квантів світу. Тут закони падаючого каменю з обриву скелі та керуючі електронами та окремими фотонами світла повністю відрізняються від того, що ми звикли бачити. Тому в такому химерному світі можливе практично все, зокрема телепортація. Як у всьому цьому розібратися? Почати слід із квантової заплутаності.
Що таке квантова заплутаність?
Іноді дві квантові частки виявляються дзеркально пов'язаними. Щоб не відбувалося з однією з цих частинок, те саме відбуватиметься і з іншої. Навіть якщо вони розділені великими відстанями. Вони, як і раніше, залишаються двома окремими об'єктами, але при цьому є ідентичними у всьому. Коли дві частинки поділяють між собою свої статки, то такічастинки називаються заплутаними.
"Припустимо, я створив пару заплутаних фотонів", - пояснює Ползік.
«Я залишаю один у себе, а інший відправляю за допомогою лазера на космічний супутник, що знаходиться на орбіті, сподіваючись на те, що фотон досягне точки призначення. Телепортацію можна вважати успішною тільки при поділі стану заплутаності двох фотонів між станцією, що передає і отримує».
Основна технічна складність процесу телепортації полягає у передачі фотона певну відстань від заплутаної частки-партнера. У випадку з китайським експериментом один фотон знаходився в лабораторії на Землі, а другий був успішно відправлений до орбітального супутника. Зміни, що відбулися з фотоном на Землі в рамках маніпуляцій вчених, відбилися також і на фотоні, що знаходиться в космосі, - це квантова телепортація в чистому вигляді.
Як зрозуміти, чи отримав супутник потрібний фотон, а чи не якусь випадкову частинку світла?
Зробити це відносно просто завдяки процесу, що називається спектральною фільтрацією. Він дозволяє вченим визначити та простежити за окремими фотонами світла, маркуючи їх унікальним ідентифікаційним номером.
«Вам відома частота фотона, який ви надсилаєте, вам відома його спрямованість. Супутник спрямований на джерело відправлення, що знаходиться на Землі. Якщо ви маєте дуже хороше оптичне обладнання з обох боків, то ця оптика бачить виключно джерело, і нічого більше», — продовжує пояснення Ползік.
Метод спектральної фільтрації байдужий до «шуму» як інших фотонів. Наприклад, під час проведення того ж експерименту на Канарських островах передача проводилася за ясного сонячного неба.
Відбувалося передача мільйонів фотонів на супутник, але до призначеннядісталися лише 900. Чому?
Що далі ви намагаєтеся відправити заплутаний фотон, то менш ефективним стає цей процес. Більше того, атмосфера Землі знаходиться в постійному русі, тому втратити фотони на їхньому шляху прямування у відкритий космос простіше простого.
«Навіть якби там не було атмосфери, вам, як і раніше, необхідно фокусувати промінь світла, щоб він був спрямований на супутник. Якщо посвітити лазерною указкою на долоню, то точка світла буде маленькою, але варто лише видалити лазер, і точка стає більшою – це закон дифракції», — каже Ползік.
З землі світла досить складно пробитися до космосу (до оптичного приймача, встановленого на орбітальний супутник). Він сильно спотворюється, тому більшість фотонів просто йде в нікуди.
«Добитися успішної телепортації можна лише на дуже короткому проміжку часу. Загалом це дуже непрактично, проте способи застосування даної технології можна знайти», — продовжує Ползік.
Квантова телепортація – це можливість миттєвої передачі?
Не зовсім. Телепортовані об'єкти не зникають, а потім знову з'являються ще десь. Вчені використовують стан заплутаності передачі інформації про квантовому стані одного фотона на інший. Без цієї інформації фотону доведеться фізично долати всю дистанцію між передавачем та приймачем. І знову ж таки, інформація не передається миттєво. Таке можливе лише тоді, коли відправник проводить вимір квантового стану свого фотона, тим самим змінюючи стан фотона на приймачі. Через квантову заплутаність по суті один фотон стає іншим фотоном.
Так навіщо все це потрібно?
Альберт Ейнштейн одного разу назвав квантову заплутаність «жахливою далекодією»,але це далекодія є фундаментальним компонентом, завдяки якому все працює. І одного разу він може стати драйвером нашого безпечного спілкування у майбутньому.