Kinesiska fysiker har genomfört den första "orbitala" kvantteleportationen. Kinesiska fysiker genomförde den första "orbital" kvantteleportationen Det är lätt att lura dem som är glada att bli lurade.

För flera år sedan kallade Albert Einstein kvantintrassling för "läskig action på avstånd." Detta är ett verkligt kontraintuitivt koncept som vid första anblicken trotsar sunt förnuft. Två objekt kan vara på stort avstånd från varandra, men de upprätthåller en "förbindelse" med varandra genom sina kvanttillstånd. Genom att förstöra tillståndet för ett objekt (genom att mäta det) får vi därigenom reda på tillståndet för objektet som är intrasslat med det, oavsett på vilket avstånd det kan vara. Det vill säga, kvanttillståndet för det första objektet i mätögonblicket, så att säga, går över till det andra objektet, detta kallas bildligt kvantteleportation.

Nu har en grupp kinesiska fysiker för första gången i världen genomfört kvantteleportation av ett föremål från jorden till omloppsbana. Resultaten av experimentet "spöklik action på avstånd" publicerades den 4 juli 2017 på preprint-webbplatsen arXiv.org (arXiv:1707.00934).

Speciellt för detta experiment lanserade kineserna den vetenskapliga satelliten Micius i en solsynkron bana förra året. Varje dag passerar den över samma punkt på jorden samtidigt, vilket gör det möjligt att noggrant förbereda experimentet och utföra det när som helst under konstanta förhållanden, och även upprepa det vid behov under samma förhållanden. Micius-satelliten är utrustad med en mycket känslig fotondetektor och utrustning för att bestämma kvanttillståndet hos enskilda fotoner som skickas från jorden.

Under experimentet genomfördes kvantteleportation med varierande grad av tillförlitlighet (se diagram) på ett avstånd av 500-1400 km från sändaren till satelliten, vilket är ett nytt världsrekord för kvantteleporteringens räckvidd. Tidigare utfördes sådana experiment endast på jorden, och det maximala avståndet för att testa kvantintrassling var cirka 100 km. I ett vakuum överförs fotoner mer tillförlitligt, de reagerar mindre med omgivande föremål och behåller intrassling bättre.


Ngari-stationen med sändaren för experimentet byggdes i Tibets berg på en höjd av mer än 4000 m. Stationen genererade intrasslade fotoner med en hastighet av 4000 per sekund. Hälften av dem skickades till en omloppsstation, och där kontrollerade de om kvantintrassling bevarades efter överföring. Den andra hälften av fotonerna fanns kvar på jorden.

För att förbättra överföringskvaliteten har forskare utvecklat ett antal innovativa tekniker och specialinstrument, inklusive en kompakt ultraljus multifoton intrasslingskälla, utrustning för att minska stråldivergens och en höghastighets- och högprecisions APT (acquiring, pointing, tracking) system.

Mätningar visade att vissa fotoner, vid ankomsten till satelliten, faktiskt förblev intrasslade med sina markbundna "partners". I synnerhet under 32 dagars överföring, av flera miljoner skickade fotoner, förblev 911 intrasslade.

Fotoner med identiska kvanttillstånd är identiska fotoner ur en fysisk synvinkel. Således kan det konstateras att forskare för första gången i historien teleporterade ett objekt från jordens yta till omloppsbana. Tja, i praktisk mening är detta den första fungerande upplänken för tillförlitlig överföring av kvantinformation över mycket långa avstånd - från jorden till en satellit. Författarna anser att detta är ett viktigt steg mot att skapa ett kvantinternet i global skala.

Teoretiskt finns det ingen maximal avståndsgräns för att mäta intrassling, dvs kvantteleportation. I praktiken är fotonernas kvanttillstånd mycket ömtåligt och förstörs som ett resultat av reaktion med omgivningen, så det är mycket viktigt att utveckla teknologier för tillförlitlig överföring av intrasslade fotoner över långa avstånd.

Kvantteleportering kan hitta tillämpningar inom en mängd olika områden: "Långdistansteleportering anses vara ett grundläggande element i protokoll som storskaliga kvantnätverk och distribuerad kvantberäkning", skriver en grupp kinesiska forskare i sammanfattningen av den vetenskapliga artikeln. - För att skapa ett "kvantinternet" på global skala är det nödvändigt att avsevärt utöka avståndet för att överföra information. En lovande teknik för detta är användningen av en satellitplattform och en satellitkommunikationslänk som bekvämt kan länka två avlägsna punkter på jorden med relativt liten signalförlust eftersom fotoner färdas större delen av vägen i ett vakuum.

Det kommer nu att bli svårt för andra länder att slå Kinas rekord för kvantteleporteringsräckvidd, eftersom varken EU eller USA planerade att skjuta upp satelliter med fotodetektorer specifikt för ett sådant experiment i rymden, och att upprätthålla kvantintrassling på jorden på 1400 km lång optisk fiber är otroligt svårt.

Fysiker från Shanghai tillkännagav det framgångsrika slutförandet av den första "rymd"-kvantteleportationen, överföring av information om tillståndet för en partikel från Mo Tzu-kvantsatelliten till en spårningsstation på jorden, enligt en artikel publicerad i det elektroniska biblioteket arXiv.org

"Vi tillkännager den första kvantteleporteringen av enstaka fotoner från ett observatorium på jorden till en satellit i låg omloppsbana om jorden, 1 400 kilometer bort från den. Den framgångsrika implementeringen av denna uppgift öppnar vägen för teleportering med ultralång räckvidd och är den första steg mot skapandet av ett kvantinternet”, skriver Jian -Wei Pan (Jian-Wei Pan) från University of Shanghai och hans kollegor.

Fenomenet quantum intrassling är grunden för modern kvantteknologi. Detta fenomen spelar i synnerhet en viktig roll i säkra kvantkommunikationssystem - sådana system eliminerar helt möjligheten för obemärkt "avlyssning" på grund av det faktum att kvantmekanikens lagar förbjuder "kloning" av ljuspartiklarnas tillstånd. För närvarande utvecklas kvantkommunikationssystem aktivt i Europa, Kina och USA.

Under de senaste åren har forskare från Ryssland och främmande länder skapat dussintals kvantkommunikationssystem, vars noder kan utbyta data över ganska stora avstånd, som uppgår till cirka 200-300 kilometer. Alla försök att expandera dessa nätverk internationellt och interkontinentalt har stött på oöverstigliga svårigheter relaterade till hur ljuset bleknar när det färdas genom fiberoptik.

Av denna anledning funderar många team av forskare på att flytta kvantkommunikationssystem till den "kosmiska" nivån, utbyta information via satellit, vilket gör det möjligt för dem att återställa eller stärka den "osynliga kopplingen" mellan intrasslade fotoner. Den första rymdfarkosten av detta slag finns redan i omloppsbana - det är den kinesiska Mo Tzu-satelliten, som skjuts upp i rymden i augusti 2016.

Den här veckan beskrev Pan och hans kollegor de första framgångsrika kvantteleportationsexperimenten som genomfördes ombord på Mo-Zu och på en kommunikationsstation i staden Ngari i Tibet, byggd på fyra kilometers höjd för att utbyta information med den första kvantsatelliten.

Kvantteleportation beskrevs första gången på teoretisk nivå 1993 av en grupp fysiker ledda av Charles Bennett. Enligt deras idé kan atomer eller fotoner utbyta information på vilket avstånd som helst om de var "intrasslade" på kvantnivå.

För att utföra denna process krävs en vanlig kommunikationskanal, utan vilken vi inte kan läsa tillståndet för intrasslade partiklar, varför sådan "teleportation" inte kan användas för att överföra data över astronomiska avstånd. Trots denna begränsning är kvantteleportation extremt intressant för fysiker och ingenjörer eftersom den kan användas för dataöverföring i kvantdatorer och för datakryptering.

Guidad av denna idé trasslade forskare in två par fotoner i ett laboratorium i Ngari och överförde en av de fyra "trasslade" partiklarna ombord på Mo-Dza med hjälp av en laser. Satelliten mätte samtidigt tillståndet för både denna partikel och en annan foton som befann sig ombord vid det ögonblicket, vilket resulterade i att information om egenskaperna hos den andra partikeln omedelbart "teleporterades" till jorden, vilket förändrade sättet att "marka" fotonen , förväxlas med den första, uppförde sig partikeln.

Totalt, som kinesiska fysiker säger, lyckades de "trasssla in" och teleportera över 900 fotoner, vilket bekräftade riktigheten av "Mo-Zu"-arbetet och bevisade att tvåvägs "orbital" kvantteleportering är möjlig i princip. På ett liknande sätt, som forskare noterar, är det möjligt att överföra inte bara fotoner, utan också qubits, minnesceller i en kvantdator och andra föremål i kvantvärlden.

Sommaren 2016 kommer kinesiska forskare att genomföra världens första experiment på kvantteleportering över ett avstånd på mer än 1 200 kilometer. Det uppger Nature News.

För experimentet planerar forskare att skjuta upp en satellit i juni 2016. Således hoppas fysiker kunna realisera kvantteleportering av partikeltillstånd mellan rymd- och markstationer.

I det första skedet av experimenten kommer forskare att testa tillförlitligheten hos kryptografisk kommunikation mellan Peking och Wien, där en jordnära satellit kommer att fungera som mellanhand.

I det andra steget kommer forskare att utföra kvantteleportering av fotoner mellan stationer i Delinghe och Lijiang (eller Nanshan) via satellit. Avståndet mellan punkterna överstiger 1200 kilometer.

Kvantteleportation är överföringen av ett kvanttillstånd över ett avstånd med hjälp av ett rumsligt separerat kopplat (trasslat) par och en klassisk kommunikationskanal, där tillståndet förstörs vid utgångspunkten under en mätning, varefter det återskapas vid punkten mottagning. Termen etablerades tack vare en artikel som publicerades 1993 i tidskriften "Physical Review Letters", som beskriver vilken typ av kvantfenomen som föreslås kallas "teleportation" (eng. teleporting) och hur det skiljer sig från det populära "teleportation". i science fiction. Kvantteleportering överför inte energi eller materia över ett avstånd. Ett obligatoriskt steg i kvantteleportering är överföringen av information mellan utgångs- och mottagningspunkterna via en klassisk, icke-kvantkanal, som inte kan utföras snabbare än med ljusets hastighet, och därmed inte bryter mot principerna för modern fysik.

Vid implementering av kvantteleportering är det, förutom att sända information via en kvantkanal, även nödvändigt att sända ytterligare information som är nödvändig för att läsa meddelandet via en klassisk kanal. För att överföra "kvantdelen" används Einstein-Podolsky-Rosen-korrelationerna som är karakteristiska för kvanttrasslade partiklar, och vilken vanlig kommunikationskanal som helst är lämplig för att överföra klassisk information.

För enkelhetens skull, låt oss betrakta ett kvantsystem med två möjliga tillstånd \psi_1 och \psi_2 (till exempel projektionen av en elektrons eller fotons spinn på en given axel). Sådana system kallas ofta qubits. Metoden som beskrivs nedan är dock lämplig för att överföra tillståndet för alla system som har ett ändligt antal tillstånd.

Låt avsändaren ha partikel A, belägen i ett godtyckligt kvanttillstånd \psi_A = \alpha \psi_1 + \beta \psi_2, och han vill överföra detta kvanttillstånd till mottagaren, det vill säga se till att mottagaren har till sitt förfogande partikel B i samma tillstånd. Med andra ord är det nödvändigt att förmedla förhållandet mellan två komplexa tal \alfa och \beta (med maximal noggrannhet). Observera att huvudmålet här är att förmedla information inte så snabbt som möjligt, utan så korrekt som möjligt. För att uppnå detta mål följs följande steg.

Sändaren och mottagaren kommer i förväg överens om att skapa ett par kvantintrasslade partiklar C och B, där C går till sändaren och B till mottagaren. Eftersom dessa partiklar är intrasslade, har var och en av dem inte sin egen vågfunktion (tillståndsvektor), utan hela paret (eller snarare, de frihetsgrader som intresserar oss) beskrivs av en enda fyrdimensionell tillståndsvektor \psi_( B.C).

Ett kvantsystem av partiklar A och C har fyra tillstånd, men vi kan inte beskriva dess tillstånd med en vektor - bara ett system av tre partiklar A, B, C har ett rent (fullt definierat) tillstånd När avsändaren gör en mätning som har fyra möjliga utfall på ett system av två partiklar A och C, får han ett av 4 egenvärden av den uppmätta storheten. Eftersom under denna mätning ett system av tre partiklar A, B, C kollapsar till något nytt tillstånd, och tillstånden för partiklarna A och C blir helt kända, förstörs kohesionen och partikel B befinner sig i något specifikt kvanttillstånd.

Det är i detta ögonblick som en "överföring" av "kvantdelen" av information sker. Det är dock ännu inte möjligt att återställa den överförda informationen: mottagaren vet att tillståndet för partikel B på något sätt är kopplat till tillståndet för partikel A, men vet inte exakt hur!

För att ta reda på detta är det nödvändigt för sändaren att informera mottagaren via den vanliga klassiska kanalen om resultatet av dess mätning (som spenderar två bitar som motsvarar det inkopplade tillståndet AC uppmätt av sändaren). Enligt kvantmekanikens lagar visar det sig att, med resultatet av en mätning utförd på ett par partiklar A och C, plus partikel B intrasslad med C, kommer mottagaren att kunna utföra den nödvändiga transformationen på tillståndet av partikel B och återställ det ursprungliga tillståndet för partikel A.

Fullständig överföring av information kommer att ske först efter att mottagaren har tagit emot uppgifterna via båda kanalerna. Innan resultatet tas emot över den klassiska kanalen kan mottagaren inte säga något om det sända tillståndet.

Det fantastiska konceptet med teleportation kommer från en specifik tolkning av experimentet: ”det initiala tillståndet för partikel A förstörs efter allt som har hänt. Det vill säga att staten inte kopierades, utan överfördes från en plats till en annan.”

Experimentellt genomförande

Den experimentella implementeringen av kvantteleportering av polarisationstillståndet för en foton utfördes 1997 nästan samtidigt av grupper av fysiker ledda av Anton Zeilinger (Universitetet i Innsbruck) och Francesco de Martini (Universitetet i Rom).

I tidskriften Nature den 17 juni 2004 tillkännagavs den framgångsrika experimentella observationen av kvantteleportering av en atoms kvanttillstånd av två forskargrupper: M. Riebe et al., Nature 429, 734-737 (teleportation av kvanttillståndet) av en kalciumjon) och M.D. Barrett et al., Nature 429, 737-739 (teleportering av en qubit baserad på en berylliumatomjon). Trots mediahypen kan dessa experiment knappast kallas ett genombrott: snarare är de bara ytterligare ett stort steg mot skapandet av kvantdatorer och implementeringen av kvantkryptografi.

2006 utfördes teleportering för första gången mellan objekt av olika natur - laserstrålningskvanta och cesiumatomer. Det framgångsrika experimentet utfördes av en forskargrupp från Niels Bohr Institutet i Köpenhamn.

Den 23 januari 2009 lyckades forskare för första gången teleportera kvanttillståndet för en jon en meter.

Den 10 maj 2010, i ett experiment utfört av fysiker från University of Science and Technology i Kina och Tsinghua University, överfördes en fotons kvanttillstånd över 16 kilometer.

2012 lyckades kinesiska fysiker sända 1 100 intrasslade fotoner över ett avstånd på 97 kilometer på 4 timmar.

I september 2012 satte fysiker från universitetet i Wien och den österrikiska vetenskapsakademin ett nytt rekord i kvantteleportation - 143 kilometer

I september 2015 lyckades forskare från US National Institute of Standards and Technology teleportera fotoner över optisk fiber över ett avstånd på över 100 km. Experimentet använde en enkelfotondetektor med supraledande kablar av molybdensilicid vid temperaturer nära absolut noll.

15 jan 2016, 17:30:49

Framtida teleportering är bara det första steget i en hel serie experiment.

Foto: Saraeva

Vladivostok, IA Primorye24. Nästa sommar planerar kinesiska forskare att genomföra världens första experiment på kvantteleportation, rapporterar Version.

Det deklarerade avståndet som partiklarna kommer att röra sig över är 1200 kilometer. Nature News berättar om planerna för forskare från Mellanriket. Det är känt att som en del av testet kommer specialister att skjuta upp en jordnära satellit i juni i år. Det kommer att fungera som en länk mellan två jordstationer Det är känt att experter planerar att skicka partiklar från Kina till Wien. Innan de lanserar den så kallade "teleporten", kommer forskare att ta reda på hur tillförlitlig den kryptografiska förbindelsen mellan städer är En satellit kommer att fungera som en teleport - den kommer att utföra kontaktlösa rörelser av fotoner. Avståndet mellan stationerna i Europa och Kina är mer än 1 200 kilometer. Testets framgång är enligt forskare utom tvivel. Det faktum att kvantteleportering kan utföras över alla, inklusive de längsta avstånden, blev känt i mitten av förra seklet.

Enligt fysiker är den framtida teleporteringen av partiklar från Kina till Europa med hjälp av en satellit bara det första steget i en hel serie experiment. I framtiden planerar forskare att genomföra ett liknande experiment med deltagande av stationer på satelliten, jorden och månen. Processen med kvantteleportering är överföringen av kvanttillståndet för vissa partiklar till vilket avstånd som helst. För att utföra det tar specialister en parad kvantpartikel och delar upp den i aktier. Enligt kvantmekanikens regler, om parade partiklar rör sig bort från varandra, behåller varje lob information om sin partner. En liknande studie har redan genomförts av forskare vid ett amerikanskt universitet. De lyckades uppnå kvantteleportering över 102 kilometer. För att utföra processen använde specialister inte en satellit, utan en optisk fiber. Trots det faktum att parade fotoner separerades på ett avstånd av mer än hundra kilometer, påverkade en förändring i tillståndet för en av dem den andra.

System för att förbereda intrasslade tillstånd och sända tillstånd för teleportering

Uppdragsgruppen QUESS Quantum Communications Satellite (aka Mo Tzu) har rapporterat de första framgångarna med att teleportera fotoner från jordens yta till omloppsbana. Som en del av ett månadslångt experiment lyckades fysiker teleportera 911 fotoner över ett avstånd på 500 till 1 400 kilometer. Det här är rekordavstånd för kvantteleportering. Ett förtryck av studien publicerades på arXiv.org-servern och MIT Technology Review rapporterade kort om det.

Kvantteleportation innebär att en partikels kvanttillstånd överförs till en annan partikel utan att direkt överföra den första partikeln i rymden. För att till exempel teleportera skulle polariseringen av en foton kräva ett par kvantintrasslade partiklar. En av de intrasslade partiklarna måste behållas av sändaren av kvanttillståndet och den andra av mottagaren. Avsändaren gör sedan en mätning samtidigt på den överförda partikeln och en av partiklarna i det intrasslade paret. Kvantintrassling är utformad på ett sådant sätt att två partiklar beter sig som ett enda system - den intrasslade partikeln vid mottagaren känner att dess par har uppmätts och ändrar dess tillstånd. Genom att känna till mätresultatet på avsändarens sida (det kan skickas via en vanlig kanal) kan du få en exakt kopia av den skickade partikeln – direkt från mottagaren. Du kan läsa mer om detta i vårt material om kvantalfabetet: "".

Tidigare var avståndet för teleportering begränsat till tiotals kilometer – 2012 teleporterade österrikiska fysiker fotonstater mellan La Palma och Teneriffa (143 kilometer). Det nya verket övervinner denna milstolpe och förbättrar den flera gånger.

Ett av huvudproblemen för teleportering - fördelningen av intrasslade fotoner mellan sändaren (på jorden) och mottagaren (satelliten) - har redan lösts av fysiker. Arbetet med att skapa ett intrasslat par åtskilda av 1200 kilometer publicerades för en månad sedan i tidningen Vetenskap. Med dessa par återstod bara att experimentellt demonstrera själva teleporteringen.

Experimentell design

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

I det nya verket använde författarna en intrasslad fotongenerator installerad inte på en satellit, utan på jorden, vid Ngari Observatory (Tibet). Den skapade över fyra tusen intrasslade par per sekund, en foton från varje skickades av en laserstråle till en satellit som flög över generatorn varje midnatt. Först visade forskare att kvantintrassling kvarstår mellan jorden och satelliten, och sedan teleporterade de polariseringen av en foton. Faktum är att för att på ett tillförlitligt sätt testa teleportering behövde forskare skapa inte en, utan två intrasslade par av fotoner.

De största förlusterna var förknippade med turbulens och heterogenitet i jordens atmosfär. Dessa effekter leder till en breddning av strålen av intrasslade fotoner och deras spridning, vilket innebär att färre partiklar når satelliten.

Totalt teleporterades 911 partiklar framgångsrikt – och under hela experimentet förbereddes och sändes miljontals fotonpar. Författarna noterar att teleporteringsnoggrannheten når 80 procent och förlusterna varierar från 41 till 52 decibel (en foton på 100 tusen flugor). Om du sänder en liknande signal över en 1200 kilometer lång optisk fiber med en förlustnivå på 0,2 decibel per kilometer, kommer överföringen av ens en foton att ta 20 gånger längre än universums livstid.

Kvantteleportering är en av de viktiga dataöverföringsteknikerna inom kvanttelekommunikation. Det är nödvändigt när man utvecklar ett globalt "kvantinternet" med idealiskt skyddade kommunikationskanaler (på nivån av fysiska lagar som förbjuder kloning av kvanttillstånd). Förra året, kvantteleportationsprotokoll för fysik på urbana fiberoptiska linjer.

Vladimir Korolev