Sistema para preparar estados entrelazados y estados transmitidos para teletransportación.
El equipo de la misión QUESS Quantum Communications Satellite (también conocido como Mo Tzu) informó sobre los primeros éxitos en la teletransportación de fotones desde la superficie de la Tierra a la órbita. En el marco de un experimento que duró un mes, los físicos lograron teletransportar 911 fotones a una distancia de entre 500 y 1.400 kilómetros. Estas son distancias récord para la teletransportación cuántica. Se publicó una preimpresión del estudio en el servidor arXiv.org y MIT Technology Review informó brevemente al respecto.
La teletransportación cuántica implica transferir el estado cuántico de una partícula a otra sin transferir directamente la primera partícula en el espacio. Para teletransportarse, por ejemplo, la polarización de un fotón requeriría un par de partículas cuánticas entrelazadas. Una de las partículas entrelazadas debe ser conservada por el emisor del estado cuántico y la segunda por el destinatario. A continuación, el emisor realiza una medición simultáneamente en la partícula transmitida y en una de las partículas del par entrelazado. El entrelazamiento cuántico está diseñado de tal manera que dos partículas se comportan como un solo sistema: la partícula entrelazada en el receptor siente que se ha tomado una medida con su par y cambia su estado. Al conocer el resultado de la medición por parte del remitente (se puede enviar a través de un canal normal), puede recibir una copia exacta de la partícula enviada, directamente del destinatario. Puedes leer más sobre esto en nuestro material sobre el alfabeto cuántico: "".
Anteriormente, la distancia para el teletransporte se limitaba a decenas de kilómetros: en 2012, físicos austriacos teletransportaron estados de fotones entre La Palma y Tenerife (143 kilómetros). El nuevo trabajo supera este hito y lo mejora varias veces.
Uno de los principales problemas de la teletransportación, la distribución de fotones entrelazados entre el emisor (en la Tierra) y el receptor (satélite), ya ha sido resuelto por los físicos. El trabajo sobre la creación de una pareja entrelazada separada por 1200 kilómetros fue publicado hace un mes en la revista Ciencia. Usando estos pares, todo lo que quedaba era demostrar experimentalmente la teletransportación en sí.
Diseño experimental
Ji-Gang Ren et al. / arXiv.org, 2017
En el nuevo trabajo, los autores utilizaron un generador de fotones entrelazados instalado no en un satélite, sino en la Tierra, en el Observatorio Ngari (Tíbet). Creó más de cuatro mil pares entrelazados por segundo, y un fotón de cada uno fue enviado por un rayo láser a un satélite que sobrevolaba el generador cada medianoche. Primero, los científicos demostraron que persiste el entrelazamiento cuántico entre la Tierra y el satélite, y luego teletransportaron la polarización de un fotón. En realidad, para probar de manera confiable la teletransportación, los científicos necesitaban crear no uno, sino dos pares de fotones entrelazados.
Las mayores pérdidas estuvieron asociadas con las turbulencias y la heterogeneidad de la atmósfera terrestre. Estos efectos provocan una ampliación del haz de fotones entrelazados y su dispersión, lo que significa que llegan menos partículas al satélite.
En total, se teletransportaron con éxito 911 partículas y durante todo el experimento se prepararon y transmitieron millones de pares de fotones. Los autores señalan que la precisión de la teletransportación alcanza el 80 por ciento y las pérdidas oscilan entre 41 y 52 decibeles (un fotón en 100 mil moscas). Si se transmite una señal similar a través de una fibra óptica de 1.200 kilómetros con un nivel de pérdida de 0,2 decibelios por kilómetro, la transmisión de incluso un fotón tardará 20 veces más que la vida del Universo.
La teletransportación cuántica es una de las técnicas de transmisión de datos importantes en las telecomunicaciones cuánticas. Es necesario cuando se desarrolla una "Internet cuántica" global con canales de comunicación idealmente protegidos (al nivel de las leyes físicas que prohíben la clonación de estados cuánticos). El año pasado se desarrollaron protocolos de teletransportación cuántica para la física en líneas urbanas de fibra óptica.
Vladímir Korolev
15 ene 2016, 17:30:49La teletransportación futura es sólo la primera etapa de toda una serie de experimentos.
Foto de : SaraevaVladivostok, IA Primorie24. El próximo verano, los científicos chinos planean realizar el primer experimento del mundo sobre teletransportación cuántica, informa Version.
La distancia declarada que recorrerán las partículas es de 1.200 kilómetros. Nature News habla de los planes de los científicos del Reino Medio. Se sabe que en el marco de la prueba los especialistas lanzarán un satélite cercano a la Tierra en junio de este año. Servirá de enlace entre dos estaciones terrestres y se sabe que los expertos planean enviar partículas desde China a Viena. Antes de lanzar el llamado "teletransporte", los científicos van a averiguar qué tan fiable es la conexión criptográfica entre ciudades: un satélite actuará como teletransportador y llevará a cabo el movimiento de fotones sin contacto. La distancia entre las estaciones de Europa y China es de más de 1.200 kilómetros y, según los científicos, el éxito de la prueba está fuera de toda duda. El hecho de que la teletransportación cuántica se puede realizar a cualquier distancia, incluidas las más largas, se conoció a mediados del siglo pasado.
Según los físicos, el futuro teletransporte de partículas desde China a Europa mediante un satélite es sólo la primera etapa de toda una serie de experimentos. En el futuro, los científicos planean realizar un experimento similar con la participación de estaciones en el satélite, la Tierra y la Luna: el proceso de teletransportación cuántica es la transferencia del estado cuántico de determinadas partículas a cualquier distancia. Para realizarlo, los especialistas toman una partícula cuántica pareada y la dividen en partes. Según las reglas de la mecánica cuántica, cuando partículas emparejadas se alejan una de otra, cada lóbulo conserva información sobre su compañero: un estudio similar ya fue realizado por empleados de una universidad estadounidense. Lograron lograr una teletransportación cuántica a lo largo de 102 kilómetros. Para llevar a cabo el proceso, los especialistas no utilizaron un satélite, sino una fibra óptica. A pesar de que los fotones pares estaban separados a una distancia de más de cien kilómetros, un cambio en el estado de uno de ellos afectó al otro.
El año pasado, un cohete Gran Marcha 2D despegó del desierto de Gobi y puso en órbita el satélite Mo Tzu en un punto sincrónico con el Sol, por lo que gira alrededor de la Tierra todos los días. Mozi es un satélite altamente sensible diseñado para transmitir información cuántica. Puede detectar los estados cuánticos de fotones individuales liberados desde la superficie de nuestro planeta.
Hoy, el equipo de Mo Tzu anunció su logro único: lograron crear la primera red cuántica de satélites tierra-tierra. Esta red se utilizó para teletransportar el primer objeto de la historia desde la Tierra a su órbita. La teletransportación la llevan a cabo científicos que realizaron experimentos en el campo de la física óptica. Este proceso se basa en el extraño fenómeno del entrelazamiento, durante el cual dos fotones forman un punto en el tiempo y el espacio. Desde un punto de vista técnico, se describen mediante una única función de onda.
La peculiaridad del entrelazamiento cuántico es que estos dos fotones existen en el mismo punto, incluso si están a kilómetros de distancia. Por tanto, un cambio en el estado de uno afecta instantáneamente al estado del otro. En los años 90 del siglo pasado, los científicos se dieron cuenta de que podían utilizar este fenómeno para teletransportar objetos de un punto del Universo a otro.
La idea es ">">
La idea es "descargar" información en un fotón, luego el otro se vuelve idéntico al primero. esto es teletransportacion
">Experimentos de este tipo se han llevado a cabo muchas veces en condiciones de laboratorio en la Tierra, pero por primera vez fueron probados en el espacio interestelar. La teletransportación tiene enormes implicaciones para una variedad de tecnologías relacionadas con las redes cuánticas y la computación.
De hecho, no existe una distancia máxima para el teletransporte de fotones, pero la conexión creada entre ellos es demasiado frágil y puede destruirse debido a la aparición de materias extrañas en la atmósfera o en la fibra óptica. Para confirmar su teoría, los científicos realizaron experimentos todo el tiempo a mayor distancia y ahora entraron en órbita. Es cierto que para ello fue necesario construir una estación en el Tíbet a una altitud de 4 mil metros.
En el marco del experimento se crearon pares de fotones entrelazados que se lanzaron a una velocidad de 4000 m/s.
Se llevó a cabo un experimento satelital sobre la transferencia de estados cuánticos entre pares de fotones entrelazados (la llamada teletransportación cuántica) a una distancia récord de más de 1200 km.
El fenómeno (o confusión) ocurre cuando existe interdependencia (correlación) de los estados de dos o más partículas que pueden extenderse a distancias arbitrariamente lejanas, pero al mismo tiempo continúan “sintiéndose” entre sí. Medir el parámetro de una partícula conduce a la destrucción instantánea del estado entrelazado de otra, lo cual es difícil de imaginar sin comprender los principios de la mecánica cuántica, especialmente porque las partículas (esto fue especialmente mostrado en experimentos sobre la violación de las llamadas desigualdades de Bell) no tienen parámetros ocultos en los que se almacene información sobre el estado del "compañero" y, al mismo tiempo, un cambio instantáneo de estado no conduce a una violación del principio de causalidad y no permite transmitir información útil de esta manera.
Para transmitir información real, es necesario además involucrar partículas que se muevan a una velocidad que no exceda la de la luz. Las partículas entrelazadas pueden ser, por ejemplo, fotones que tienen un progenitor común y el parámetro dependiente es, digamos, su espín.
No sólo los científicos dedicados a la física fundamental, sino también los ingenieros que diseñan comunicaciones seguras están mostrando interés en transmitir los estados de partículas entrelazadas a distancias cada vez mayores y en las condiciones más extremas. Se cree que el fenómeno del entrelazamiento de partículas nos proporcionará, en principio, canales de comunicación imposibles de piratear en el futuro. “Protección” en este caso será la inevitable notificación a los participantes de la conversación de que un tercero ha intervenido en su comunicación.
Prueba de ello serán las leyes inviolables de la física: el colapso irreversible de la función de onda.
Ya se han creado prototipos de dispositivos para implementar dicha comunicación cuántica segura, pero también están surgiendo ideas para comprometer el funcionamiento de todos estos "canales absolutamente seguros", por ejemplo, mediante mediciones cuánticas débiles reversibles, por lo que aún no está claro si la criptografía cuántica funcionará. podremos abandonar la etapa de pruebas de prototipos sin que todos los desarrollos resulten condenados de antemano y sean inadecuados para su uso práctico.
Otro punto: la transmisión de estados entrelazados hasta ahora sólo se ha realizado a distancias que no superan los 100 km, debido a la pérdida de fotones en la fibra óptica o en el aire, ya que la probabilidad de que al menos una parte de los fotones alcance el El detector se vuelve extremadamente pequeño. De vez en cuando, aparecen mensajes sobre el próximo logro en este camino, pero para cubrir todo el Tierra todavía no es posible.
Así, a principios de este mes, los físicos canadienses anunciaron intentos exitosos de comunicarse a través de un canal cuántico seguro con un avión, pero estaba a sólo 3-10 km del transmisor.
El llamado protocolo de repetidor cuántico se reconoce como una de las formas de mejorar radicalmente la propagación de la señal, pero su valor práctico sigue siendo cuestionable debido a la necesidad de resolver una serie de cuestiones técnicas complejas.
Otro enfoque es precisamente el uso de tecnología satelital, ya que el satélite puede permanecer en la línea de visión de diferentes lugares muy distantes de la Tierra al mismo tiempo. La principal ventaja de este enfoque puede ser que La mayoría de el camino de los fotones será prácticamente en el vacío con absorción casi nula y exclusión de la decoherencia (violación de la coherencia provocada por la interacción de las partículas con el medio ambiente).
Para demostrar la viabilidad de los experimentos con satélites, los expertos chinos realizaron pruebas preliminares en tierra que demostraron una propagación bidireccional exitosa de pares de fotones entrelazados a través de un medio abierto a distancias de 600 m, 13 y 102 km con una pérdida efectiva de canal de 80 dB. También se han llevado a cabo experimentos sobre la transferencia de estados cuánticos en plataformas móviles en condiciones de elevadas pérdidas y turbulencias.
Después de estudios de viabilidad detallados con la participación de científicos austriacos, se desarrolló y lanzó un satélite de 100 millones de dólares el 16 de agosto de 2016 desde el Centro de Lanzamiento de Satélites de Jiuquan en el desierto de Gobi utilizando un vehículo de lanzamiento 2D Gran Marcha a una órbita a una altitud de 500 km. .
El satélite recibió el nombre de "Mo Tzu" en honor al antiguo filósofo chino del siglo V a. C., fundador del moísmo (la doctrina del amor universal y el consecuencialismo estatal). Durante varios siglos en China, el mohismo compitió con éxito con el confucianismo hasta que este último fue adoptado como ideología estatal.
La misión Mozi cuenta con el apoyo de tres estaciones terrestres: Delinghe (provincia de Qinghai), Nanshan en Urumqi (Xinjiang) y el Observatorio GaoMeiGu (GMG) en Lijiang (provincia de Yunnan). La distancia entre Delinghe y Lijian es de 1203 km. Distancia entre satélite en órbita y estas estaciones terrestres oscilan entre 500 y 2000 km.
Como los fotones entrelazados no pueden “amplificarse” simplemente como las señales clásicas, fue necesario desarrollar nuevas técnicas para reducir la atenuación en los enlaces de transmisión entre la Tierra y los satélites. Para lograr la eficiencia de comunicación requerida, era necesario lograr simultáneamente una divergencia mínima del haz y una orientación de los detectores de alta velocidad y alta precisión.
Habiendo desarrollado una fuente cósmica ultraluminosa de entrelazamiento de dos fotones y tecnología APT (adquisición, apuntamiento y seguimiento) de alta precisión, el equipo estableció un "acoplamiento cuántico" entre pares de fotones separados por 1203 km, los científicos realizaron el llamado La prueba de Bell para comprobar las violaciones de localidad (la capacidad de influir instantáneamente en el estado de partículas remotas) y obtuvo un resultado con una significación estadística de cuatro sigma (desviaciones estándar).
Diagrama de la fuente de fotones del satélite. El espesor del cristal KTiOPO4 (PPKTP) es de 15 mm. Un par de espejos cóncavos fuera del eje enfocan el láser de bombeo (PL) en el centro del cristal PPKTP. La salida de un interferómetro Sagnac utiliza dos espejos dicromáticos (DM) y filtros para separar los fotones de señal del láser de bombeo. Se utilizan dos espejos adicionales (PI), controlados remotamente desde el suelo, para ajustar con precisión la dirección del haz para una eficiencia óptima de recolección del haz. QWP - sección de fase de cuarto de onda; HWP - sección de fase de media onda; PBS - divisor de haz polarizador.
En comparación con los métodos anteriores que utilizan las fibras ópticas de telecomunicaciones comerciales más comunes, la eficiencia de la conexión satelital resultó ser mucho mayor, lo que, según los autores del estudio, abre el camino para aplicaciones prácticas, anteriormente no disponible en la Tierra.
MOSCÚ, 12 de julio - RIA Novosti. Físicos de Shanghai anunciaron la finalización exitosa de la primera teletransportación cuántica “espacial”, transfiriendo información sobre el estado de una partícula desde el satélite cuántico Mo Tzu a una estación de seguimiento en la Tierra, según un artículo publicado en biblioteca electrónica arXiv.org
"Anunciamos la primera teletransportación cuántica de fotones individuales desde un observatorio en la Tierra a un satélite en órbita terrestre baja, a 1.400 kilómetros de distancia. La implementación exitosa de esta tarea abre el camino a la teletransportación de alcance ultralargo y es la primera paso hacia la creación de una Internet cuántica”, escribe Jian -Wei Pan (Jian-Wei Pan) de la Universidad de Shanghai y sus colegas.
El fenómeno del entrelazamiento cuántico es la base de las tecnologías cuánticas modernas. Este fenómeno, en particular, juega papel importante en sistemas de comunicación cuánticos seguros: tales sistemas excluyen por completo la posibilidad de "escuchas telefónicas" inadvertidas debido al hecho de que las leyes de la mecánica cuántica prohíben "clonar" el estado de las partículas de luz. Actualmente, los sistemas de comunicación cuántica se están desarrollando activamente en Europa, China y Estados Unidos.
Detrás últimos años científicos de Rusia y países extranjeros Han creado decenas de sistemas de comunicación cuántica, cuyos nodos pueden intercambiar datos a distancias bastante grandes, de unos 200 a 300 kilómetros. Todos los intentos de expandir estas redes a nivel internacional e intercontinental se han topado con dificultades insuperables relacionadas con la forma en que la luz se desvanece a medida que viaja a través de la fibra óptica.
Por esta razón, muchos equipos de científicos están pensando en llevar los sistemas de comunicación cuántica al nivel “cósmico”, intercambiando información vía satélite, lo que les permitirá restaurar o fortalecer la “conexión invisible” entre fotones entrelazados. Primero astronave Este tipo ya está presente en órbita: se trata del satélite chino Mo Tzu, lanzado al espacio en agosto de 2016.
Esta semana, Pan y sus colegas describieron los primeros experimentos exitosos de teletransportación cuántica realizados a bordo del Mo-Zu y en una estación de comunicaciones en la ciudad de Ngari en el Tíbet, construida a una altitud de cuatro kilómetros para intercambiar información con el primer satélite cuántico. .
La teletransportación cuántica se describió por primera vez en nivel teórico en 1993 por un grupo de físicos liderados por Charles Bennett. Según su idea, los átomos o los fotones pueden intercambiar información a cualquier distancia si estuvieran "entrelazados" a nivel cuántico.
Para llevar a cabo este proceso se requiere un canal de comunicación regular, sin el cual no podemos leer el estado de las partículas enredadas, razón por la cual dicha “teletransportación” no se puede utilizar para transmitir datos a distancias astronómicas. A pesar de esta limitación, la teletransportación cuántica es extremadamente interesante para físicos e ingenieros porque puede usarse para la transmisión de datos en computadoras cuánticas y para el cifrado de datos.
Guiados por esta idea, los científicos entrelazaron dos pares de fotones en un laboratorio en Ngari y transfirieron una de las cuatro partículas "entrelazadas" a bordo del Mo-Dza mediante un láser. El satélite midió simultáneamente el estado de esta partícula y de otro fotón que se encontraba a bordo en ese momento, como resultado de lo cual la información sobre las propiedades de la segunda partícula fue "teletransportada" instantáneamente a la Tierra, cambiando la forma en que "tierra". fotón, confundido con la primera partícula, se comportó.
En total, como dicen los físicos chinos, lograron "entrelazar" y teletransportar más de 900 fotones, lo que confirmó la exactitud del trabajo de Mo-Zu y demostró que la teletransportación cuántica "orbital" bidireccional es, en principio, posible. De manera similar, como señalan los científicos, es posible transmitir no solo fotones, sino también qubits, células de memoria de una computadora cuántica y otros objetos del mundo cuántico.
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