I Kina fångade en övervakningskamera en person som "teleporterade" (video). Kinesiska forskare satte rekord för avståndet för kvantteleportation Teleportera i Kina sant eller falskt

System för att förbereda intrasslade tillstånd och sända tillstånd för teleportering

Uppdragsgruppen QUESS Quantum Communications Satellite (aka Mo Tzu) rapporterade 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. Quantum intrassling är utformad på ett sådant sätt att två partiklar beter sig som ett enda system - den intrasslade partikeln hos mottagaren känner att en mätning har gjorts med sitt par 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. I verkligheten, 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

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 kvantteleportering, rapporterar Version.

Det deklarerade avståndet som partiklarna kommer att röra sig över är 1 200 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" ska forskare 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. Framgången med testet 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 kvantteleportation är överföringen av kvanttillståndet för vissa partiklar till valfritt avstånd. 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 anställda 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

Förra året lyfte en Long March 2D-raket från Gobiöknen och placerade Mo Tzu-satelliten i omloppsbana i en punkt som är synkron med solen, så den cirklar runt jorden varje dag. Mozi är en mycket känslig satellit designad för att överföra kvantinformation. Den kan upptäcka kvanttillstånden hos enskilda fotoner som frigörs från vår planets yta.

Idag tillkännagav Mo Tzus team sin unika prestation: de lyckades skapa det första mark-till-jord satellitkvantnätverket. Detta nätverk användes för att teleportera det första objektet i historien från jorden till dess omloppsbana. Teleportering utförs av forskare som utfört experiment inom området optisk fysik. Denna process är baserad på det märkliga fenomenet intrassling, under vilken två fotoner bildar en punkt i tid och rum. Ur teknisk synvinkel beskrivs de av en enda vågfunktion.

Det speciella med kvantintrassling är att dessa två fotoner existerar på samma punkt, även om de är kilometer från varandra. Således påverkar en förändring i den enes tillstånd omedelbart den andras tillstånd. Tillbaka på 90-talet av förra seklet insåg forskare att de kunde använda detta fenomen för att teleportera objekt från en punkt i universum till en annan.

Tanken är att ">">

Tanken är att "ladda ner" information till en foton, sedan blir den andra identisk med den första. Det här är teleportering

">

Sådana experiment har utförts många gånger i laboratorieförhållanden på jorden, men för första gången testades de i det interstellära rymden. Teleportering har enorma konsekvenser för en rad tekniker relaterade till kvantnätverk och datoranvändning.

Faktum är att det inte finns något maximalt avstånd för teleportering av fotoner, men kopplingen som skapas mellan dem är för ömtålig och kan förstöras på grund av att främmande ämnen dyker upp i atmosfären eller i den optiska fibern. För att bekräfta sin teori genomförde forskare experiment hela tiden på ett större avstånd, och nu gick de in i omloppsbana. Det är sant att för detta var det nödvändigt att bygga en station i Tibet på en höjd av 4 tusen meter.

Som en del av experimentet skapades intrasslade par av fotoner, som lanserades med en hastighet av 4000 m/s

Genomförde ett satellitexperiment om överföring av kvanttillstånd mellan par av intrasslade fotoner (så kallad kvantteleportation) över ett rekordavstånd på mer än 1200 km.

Fenomenet (eller förvirringen) uppstår när det finns ett ömsesidigt beroende (korrelation) mellan tillstånden i två eller Mer partiklar som kan spridas till godtyckligt långt avstånd, men samtidigt fortsätter de att "känna" varandra. Att mäta parametern för en partikel leder till omedelbar förstörelse av en annans intrasslade tillstånd, vilket är svårt att föreställa sig utan att förstå principerna för kvantmekaniken, särskilt eftersom partiklar (detta var speciellt visad i experiment om kränkning av de så kallade Bell-ojämlikheterna) inte har några dolda parametrar där information om tillståndet för "följeslagaren" skulle lagras, och samtidigt leder en omedelbar förändring i tillstånd inte till en kränkning av kausalitetsprincipen och tillåter inte att användbar information överförs på detta sätt.

För att överföra verklig information är det dessutom nödvändigt att involvera partiklar som rör sig med en hastighet som inte överstiger ljushastigheten. Entangled partiklar kan till exempel vara fotoner som har en gemensam progenitor, och den beroende parametern är till exempel deras spin.

Inte bara forskare som är involverade i grundläggande fysik, utan även ingenjörer som designar säker kommunikation visar intresse för att överföra tillstånden för intrasslade partiklar över allt längre avstånd och under de mest extrema förhållanden. Man tror att fenomenet partikelintrassling kommer att förse oss med i princip okackbara kommunikationskanaler i framtiden. "Skydd" i detta fall kommer att vara det oundvikliga meddelandet från konversationsdeltagarna om att en tredje part har ingripit i deras kommunikation.

Bevis på detta kommer att vara fysikens okränkbara lagar - vågfunktionens irreversibla kollaps.

Prototyper av enheter för implementering av sådan säker kvantkommunikation har redan skapats, men idéer dyker också upp för att äventyra driften av alla dessa "absolut säkra kanaler", till exempel genom reversibla svaga kvantmätningar, så det är fortfarande oklart om kvantkryptografi kommer att kunna lämna prototyptestningsstadiet utan om all utveckling kommer att visa sig vara dömd på förhand och olämplig för praktisk användning.

En annan punkt: överföringen av intrasslade tillstånd har hittills endast utförts över avstånd som inte överstiger 100 km, på grund av förlusten av fotoner i den optiska fibern eller i luften, eftersom sannolikheten att åtminstone några av fotonerna kommer att nå detektorn blir försvinnande liten. Då och då dyker det upp meddelanden om nästa prestation längs denna väg, men för att täcka hela Jordenär ännu inte möjligt.

Så, tidigare denna månad, tillkännagav kanadensiska fysiker framgångsrika försök att kommunicera via en säker kvantkanal med ett flygplan, men det var bara 3-10 km från sändaren.

Det så kallade quantum repeater-protokollet är erkänt som ett av sätten att radikalt förbättra signalutbredningen, men dess praktiska värde förblir ifrågasatt på grund av behovet av att lösa ett antal komplexa tekniska problem.

Ett annat tillvägagångssätt är just användningen av satellitteknik, eftersom satelliten kan förbli i sikte till olika mycket avlägsna platser på jorden samtidigt. Den största fördelen med detta tillvägagångssätt kan vara det mest av fotonernas väg kommer att vara praktiskt taget i ett vakuum med nästan noll absorption och uteslutning av dekoherens (kränkning av koherens orsakad av interaktion mellan partiklar med miljön).

För att demonstrera genomförbarheten av satellitexperiment genomförde kinesiska experter preliminära marktester som visade framgångsrik dubbelriktad utbredning av intrasslade fotonpar genom ett öppet medium på avstånd på 600 m, 13 och 102 km med en effektiv kanalförlust på 80 dB. Experiment har också utförts på överföring av kvanttillstånd på rörliga plattformar under förhållanden med hög förlust och turbulens.

Efter detaljerade genomförbarhetsstudier med deltagande av österrikiska forskare utvecklades en satellit på 100 miljoner dollar och lanserades den 16 augusti 2016 från Jiuquan Satellite Launch Center i Gobiöknen med hjälp av en Long March 2D uppskjutningsfordon in i en omloppsbana på en höjd av 500 km. .

Satelliten fick namnet "Mo Tzu" för att hedra den forntida kinesiska filosofen på 500-talet f.Kr., grundaren av moism (läran om universell kärlek och statskonsekvenser). Under flera århundraden i Kina konkurrerade mohismen framgångsrikt med konfucianismen tills den senare antogs som statsideologi.

Mozi-uppdraget stöds av tre markstationer: Delinghe (Qinghai-provinsen), Nanshan i Urumqi (Xinjiang) och GaoMeiGu-observatoriet (GMG) i Lijiang (Yunnan-provinsen). Avståndet mellan Delinghe och Lijian är 1203 km. Avstånd mellan kretsande satellit och dessa markstationer sträcker sig från 500-2000 km.

Eftersom intrasslade fotoner inte bara kan "förstärkas" som klassiska signaler, var nya tekniker tvungna att utvecklas för att minska dämpningen i överföringslänkar mellan jorden och satelliter. För att uppnå den erforderliga kommunikationseffektiviteten var det nödvändigt att samtidigt uppnå minimal stråldivergens och höghastighets- och högprecisionsinriktning av detektorer.

Efter att ha utvecklat en ultraljusande kosmisk källa för två-fotoner intrassling och högprecision APT (acquiring, pointing, and tracking)-teknologi, etablerade teamet "kvantkoppling" mellan par av fotoner åtskilda av 1203 km, forskare genomförde s.k. Klocktest för att testa lokalitetsöverträdelser (förmågan att omedelbart påverka tillståndet hos en avlägsna partikel) och erhöll ett resultat med en statistisk signifikans på fyra sigma (standardavvikelser).

Diagram över fotonkällan på satelliten. Tjockleken på KTiOPO4 (PPKTP) kristallen är 15 mm. Ett par konkava axelspeglar fokuserar pumplasern (PL) i mitten av PPKTP-kristallen. Utsignalen från en Sagnac-interferometer använder två dikromatiska speglar (DM) och filter för att separera signalfotoner från pumplasern. Två extra speglar (PI), fjärrstyrda från marken, används för att finjustera strålriktningen för optimal stråluppsamlingseffektivitet. QWP - kvartsvågsfassektion; HWP - halvvågsfassektion; PBS - polariserande stråldelare.

Jämfört med tidigare metoder som använder de vanligaste kommersiella optiska telekommunikationsfibrerna visade sig effektiviteten hos satellitförbindelsen vara många storleksordningar högre, vilket, enligt författarna till studien, öppnar vägen för den praktiska tillämpningar, tidigare otillgänglig på jorden.

MOSKVA, 12 juli - RIA Novosti. 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 på elektroniskt bibliotek arXiv.org

"Vi tillkännager den första kvantteleporteringen av enstaka fotoner från ett observatorium på jorden till en satellit i låg omloppsbana runt 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, i synnerhet, spelar viktig roll i säkra kvantkommunikationssystem - sådana system utesluter helt möjligheten till 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.

Bakom senaste åren forskare från Ryssland och främmande länder har 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. Först rymdskepp denna typ finns redan i omloppsbana - det är den kinesiska Mo Tzu-satelliten, som sköts upp i rymden i augusti 2016.

Den här veckan beskrev Pan och hans kollegor de första framgångsrika kvantteleporteringsexperiment som utfördes 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 .

Kvantteleportering beskrevs först i 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 var ombord i det ögonblicket, vilket resulterade i att information om egenskaperna hos den andra partikeln omedelbart "teleporterades" till jorden, vilket förändrade sättet att "marken" fotonen, förväxlad 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.