“İletişim” filminde böyle bir ışınlanma makinesi yapıldı. Onun yardımıyla Jodie Foster'ın kahramanı başka bir dünyaya seyahat etti ya da belki gitmedi...

Yazarların ve senaristlerin hayal ettiği fantastik dünyalarda ışınlanma uzun zamandır standart bir ulaşım hizmeti haline geldi. Uzayda hareket etmenin bu kadar hızlı, kullanışlı ve aynı zamanda sezgisel bir yolunu bulmak zor görünüyor.

Güzel bir fikirışınlanma bilim adamları tarafından da desteklenmektedir: sibernetiğin kurucusu Norbert Wiener, "Sibernetik ve Toplum" adlı çalışmasında bütün bir bölümü "telgraf kullanarak seyahat etme olasılığı" konusuna ayırmıştır. O zamandan bu yana yarım yüzyıl geçti ve bu süre zarfında insanlığın böyle bir seyahat hayaline neredeyse yaklaştık: Dünya çapında birçok laboratuvarda başarılı kuantum ışınlama gerçekleştirildi.

Temel bilgiler

Işınlanma neden kuantumdur? Gerçek şu ki, kuantum nesnelerinin (temel parçacıklar veya atomlar), kuantum dünyasının yasalarıyla belirlenen ve makro dünyada gözlemlenmeyen belirli özellikleri vardır. Işınlanma deneylerinin temelini oluşturan tam da parçacıkların bu özellikleriydi.

EPR paradoksu

Aktif gelişim döneminde kuantum teorisi 1935'te Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen'in ünlü makalesinde, "Gerçekliğin kuantum mekaniksel tanımı tam olabilir mi?" Sözde EPR paradoksu (Einstein-Podolsky-Rosen paradoksu) formüle edildi.

Yazarlar bunun kuantum teorisinden kaynaklandığını gösterdi: Eğer ortak bir geçmişe sahip (bir çarpışmadan sonra dağılmış veya bir parçacığın bozunması sırasında oluşmuş) iki A ve B parçacığı varsa, o zaman B parçacığının durumu parçacığın durumuna bağlıdır A ve bu bağımlılık anında ve her mesafeden kendini göstermelidir. Bu tür parçacıklara EPR çifti denir ve "dolanık" durumda oldukları söylenir.

Öncelikle kuantum dünyasında bir parçacığın olasılıksal bir nesne olduğunu, yani aynı anda birkaç durumda olabileceğini hatırlayalım - örneğin sadece "siyah" veya "beyaz" değil, aynı zamanda "beyaz" da olabilir. "gri". Bununla birlikte, böyle bir parçacığı ölçerken, her zaman olası durumlardan yalnızca birini göreceğiz - "siyah" veya "beyaz" ve belirli bir öngörülebilir olasılıkla ve diğer tüm durumlar yok edilecektir. Dahası, iki kuantum parçacığından öyle bir "dolaşık" durum yaratabilirsiniz ki her şey daha da ilginç olacaktır: ölçüldüğünde bunlardan biri "siyah" çıkarsa, diğeri kesinlikle "beyaz" olacaktır ve bunun tersi de geçerlidir. !

Paradoksun ne olduğunu anlamak için önce makroskobik nesnelerle bir deney yapıyoruz. Her biri siyah ve beyaz olmak üzere iki top içeren iki kutu alalım. Ve bu kutulardan birini Kuzey Kutbu'na, diğerini Güney Kutbu'na götüreceğiz.

Eğer çıkarırsak Güney Kutbu toplardan biri (örneğin siyah), o zaman bu, Kuzey Kutbu'ndaki seçimin sonucunu etkilemeyecektir. Bu durumda beyaz bir topla karşılaşmamız hiç de gerekli değil. Bu basit örnek, dünyamızda EPR paradoksunu gözlemlemenin imkansız olduğunu doğruluyor.

Ancak 1980'de Alan Aspect deneysel olarak kuantum dünyasında EPR paradoksunun gerçekten meydana geldiğini gösterdi. EPR parçacıkları A ve B'nin durumuna ilişkin özel ölçümler, EPR çiftinin sadece ortak bir geçmişe bağlı olmadığını, aynı zamanda B parçacığının bir şekilde A parçacığının nasıl ölçüldüğünü (karakteristiklerinin ne ölçüldüğü) ve sonucun ne olduğunu anında "bildiğini" gösterdi. . Yukarıda bahsettiğimiz dört topun bulunduğu kutulardan bahsediyorsak, bu, Güney Kutbu'ndan siyah bir top çıkardıktan sonra mutlaka Kuzey Kutbu'ndan da beyaz bir top çıkarmamız gerektiği anlamına gelir! Ancak A ve B arasında herhangi bir etkileşim yoktur ve süperluminal sinyal iletimi imkansızdır! Sonraki deneylerde, EPR çiftinin parçacıkları birbirinden yaklaşık 10 km uzaklıkta ayrılmış olsa bile, EPR paradoksunun varlığı doğrulandı.

Sezgilerimiz açısından tamamen inanılmaz olan bu deneyler kuantum teorisiyle kolaylıkla açıklanabilir. Sonuçta, bir EPR çifti tam olarak "dolaşmış" durumdaki iki parçacıktır; bu, örneğin A parçacığı gibi ölçüm sonucunun B parçacığının ölçüm sonucunu belirlediği anlamına gelir.

Einstein'ın, EPR çiftlerindeki parçacıkların tahmin edilen davranışını "uzaktaki şeytanların eylemi" olarak değerlendirmesi ve EPR paradoksunun, bilim adamının kabul etmeyi reddettiği kuantum mekaniğinin tutarsızlığını bir kez daha gösterdiğinden emin olması ilginçtir. Paradoksun açıklamasının ikna edici olmadığına inanıyordu, çünkü "kuantum teorisine göre, gözlemci gözlemleneni yaratıyorsa veya kısmen yaratabiliyorsa, o zaman bir fare sadece ona bakarak Evreni yeniden yaratabilir."

Işınlanma deneyleri

1993 yılında Charles Bennett ve meslektaşları, EPR çiftlerinin dikkate değer özelliklerini nasıl kullanacaklarını keşfettiler: Bir EPR çifti kullanarak bir nesnenin kuantum durumunu başka bir kuantum nesneye aktarmanın bir yolunu icat ettiler ve bu yönteme kuantum ışınlanma adını verdiler. Ve 1997'de Anton Zeilinger liderliğindeki bir grup deneyci ilk kez bir fotonun durumunun kuantum ışınlanmasını gerçekleştirdi. Işınlanma şeması ekte ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

Sınırlamalar ve hayal kırıklıkları

Kuantum ışınlamanın bir nesnenin aktarımı değil, yalnızca bir nesnenin bilinmeyen kuantum durumunun başka bir kuantum nesnesine aktarılması olması temel olarak önemlidir. Işınlanan nesnenin kuantum durumu bizim için bir sır olarak kalmakla kalmıyor, aynı zamanda geri dönülemez biçimde yok ediliyor. Ancak kesinlikle emin olabileceğimiz şey, başka bir nesnenin aynı durumunu başka bir yerde elde ettiğimizdir.

Işınlanmanın anında gerçekleşeceğini bekleyenler hayal kırıklığına uğrayacak. Bennett'in yönteminde başarılı ışınlanma, klasik bir iletişim kanalı gerektirir; bu, ışınlanma hızının normal bir kanal üzerindeki veri aktarım hızını geçemeyeceği anlamına gelir.

Ve parçacıkların ve atomların durumlarının ışınlanmasından makroskobik nesnelerin ışınlanmasına geçişin mümkün olup olmayacağı hala tam olarak bilinmiyor.

Başvuru

Pratik Uygulama Kuantum ışınlanması için hızlı bir şekilde bir çözüm bulundu - bunlar, bilginin bir dizi kuantum durumu biçiminde depolandığı kuantum bilgisayarlardır. Burada kuantum ışınlamanın, iletilen bilgilerin yakalanması ve kopyalanması olasılığını temel olarak ortadan kaldıran ideal bir veri aktarım yöntemi olduğu ortaya çıktı.

Sıra kişiye gelecek mi?

Kuantum ışınlanma alanındaki tüm modern gelişmelere rağmen, insanın ışınlanmasıyla ilgili beklentiler oldukça belirsiz kalıyor. Elbette bilim adamlarının bir şeyler bulacağına inanmak istiyorum. 1966'da “Teknolojinin Toplamı” kitabında Stanislav Lem şunları yazdı: “Napolyon'u atomlardan sentezlemeyi başarırsak (elimizde bir “atomik envanter” olması şartıyla), o zaman Napolyon yaşayan bir insan olacaktır. Herhangi bir kişiden böyle bir envanter alıp "telgrafla" bir alıcı cihaza iletirseniz, bu cihazın ekipmanı, alınan bilgilere dayanarak bu kişinin vücudunu ve beynini yeniden yaratacak, o zaman o alıcı cihazdan çıkacaktır. Cihaz canlı ve sağlıklı.”

Ancak bu durumda pratik teoriden çok daha karmaşıktır. Yani sizin ve benim, garanti güvenlikle, ışınlanmayı kullanarak dünyaları dolaşmak zorunda kalmamız pek mümkün değil, çünkü tek yapmanız gereken tek bir hatadır ve anlamsız bir atom koleksiyonuna dönüşebilirsiniz. Clifford Simak'ın romanından deneyimli galaktik müfettiş bu konuda çok şey biliyor ve "maddenin uzaktan aktarımını üstlenenlerin önce bunu doğru yapmayı öğrenmesi gerektiğine" inanması boşuna değil.

Kuantum ışınlanması kuantum bilgisindeki en önemli protokollerden biridir. Dolaşmanın fiziksel kaynağına dayanarak, çeşitli bilgi görevlerinin ana unsuru olarak hizmet eder ve önemli bir görevi temsil eder. bileşen kuantum teknolojileriönemli bir rol oynayan daha fazla gelişme kuantum hesaplama, ağlar ve iletişim.

Bilim kurgudan bilim adamlarının keşiflerine

Kuantum mekaniğinin "tuhaflığının" belki de en ilginç ve heyecan verici sonuçlarından biri olan kuantum ışınlanmasının keşfinden bu yana yirmi yıldan fazla zaman geçti. Bu büyük keşifler yapılmadan önce bu fikir alana aitti. bilimkurgu. İlk kez 1931'de Charles H. Fort tarafından icat edilen ışınlanma terimi, o zamandan beri bedenlerin ve nesnelerin, aralarındaki mesafeyi kat etmeden bir yerden başka bir yere aktarıldığı süreci ifade etmek için kullanılıyor.

1993 yılında, yukarıda listelenen özelliklerin birçoğunu paylaşan "kuantum ışınlanma" adı verilen bir kuantum bilgi protokolünü açıklayan bir makale yayınlandı. Burada, fiziksel bir sistemin bilinmeyen durumu ölçülür ve daha sonra uzak bir yerde yeniden üretilir veya "yeniden birleştirilir" (orijinal sistemin fiziksel öğeleri iletim konumunda kalır). Bu süreç klasik iletişim araçlarını gerektirir ve süperluminal iletişimi hariç tutar. Dolanıklığın kaynağını gerektirir. Aslında ışınlanma, dolanıklığın doğasını en açık şekilde gösteren kuantum bilgi protokolü olarak görülebilir: Onun varlığı olmasaydı, kuantum mekaniğini tanımlayan yasalar çerçevesinde böyle bir iletim durumu mümkün olmazdı.

Işınlanma bilgi biliminin gelişmesinde etkin bir rol oynamaktadır. Bir yandan resmi kuantum bilgi teorisinin gelişiminde belirleyici rol oynayan bir protokol, diğer yandan da birçok teknolojinin temel bileşenidir. Kuantum tekrarlayıcı - anahtar eleman uzun mesafelerde iletişim. Kuantum anahtar ışınlaması, ölçüm tabanlı bilgi işlem ve kuantum ağlarının tümü bunun türevleridir. Ayrıca şu şekilde kullanılır: basit araç zaman eğrileri ve buharlaşma ile ilgili "ekstrem" fiziği incelemek

Günümüzde kuantum ışınlanma, fotonik kübitler, nükleer manyetik rezonans, optik modlar, atom grupları, tuzaklanmış atomlar ve yarı iletken sistemler dahil olmak üzere birçok farklı substrat ve teknoloji kullanılarak dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlarda doğrulanmıştır. Işınlanma menzili alanında olağanüstü sonuçlar elde edildi ve uydularla ilgili deneyler yakında yapılacak. Ayrıca daha karmaşık sistemlere ölçeklendirme çalışmaları da başladı.

Kübitlerin ışınlanması

Kuantum ışınlanması ilk olarak kübit adı verilen iki seviyeli sistemler için tanımlandı. Protokol, A ve B olmak üzere 2 kübiti paylaşan Alice ve Bob adlı iki uzak partiyi, Bell çifti olarak da adlandırılan saf dolaşmış durumda ele alıyor. Girişte Alice'e ρ durumu bilinmeyen başka bir kübit a verilir. Daha sonra Bell tespiti adı verilen ortak bir kuantum ölçümü gerçekleştirir. a ve A'yı dört Bell durumundan birine aktarır. Sonuç olarak, ölçüm sırasında Alice'in giriş kübitinin durumu kaybolur ve Bob'un B kübiti aynı anda P † k ρP k'ye yansıtılır. Protokolün son aşamasında Alice, ölçümünün klasik sonucunu orijinal ρ'yi geri yüklemek için Pauli operatörü Pk'yi uygulayan Bob'a iletir.

Alice'in kübitinin başlangıç ​​durumunun bilinmediği kabul edilir, aksi takdirde protokol, uzaktan ölçüme indirgenir. Alternatif olarak, kendisi de üçüncü bir tarafla paylaşılan daha büyük bir kompozit sistemin parçası olabilir (bu durumda başarılı bir ışınlanma, söz konusu üçüncü tarafla tüm korelasyonların yeniden üretilmesini gerektirir).

Tipik bir kuantum ışınlanma deneyi, başlangıç ​​durumunun saf olduğunu ve Bloch küresinin altı kutbu gibi sınırlı bir alfabeye ait olduğunu varsayar. Eşevresizliğin varlığında, yeniden oluşturulan durumun kalitesi ışınlanma hassasiyeti F ∈ ile ölçülebilir. Bu, tüm Bell tespit sonuçları ve orijinal alfabe üzerinden ortalaması alınan Alice ve Bob durumları arasındaki doğruluktur. Düşük doğruluk değerlerinde, dolaşık bir kaynak kullanılmadan kusurlu ışınlanmaya izin veren yöntemler vardır. Örneğin Alice, başlangıç ​​durumunu doğrudan ölçebilir ve sonuçları, ortaya çıkan durumu hazırlaması için Bob'a gönderebilir. Bu ölçüm-hazırlık stratejisine “klasik ışınlanma” adı veriliyor. Onun maksimum doğruluk Rastgele bir giriş durumu için F sınıfı = 2/3; bu, bir Bloch küresinin altı kutbu gibi karşılıklı tarafsız durumların alfabesine eşdeğerdir.

Dolayısıyla kuantum kaynaklarının kullanımının açık bir göstergesi F>F sınıfı doğruluk değeridir.

Sadece bir kübit değil

Belirtildiği gibi ışınlanma kübitlerle sınırlı değil, çok boyutlu sistemleri de içerebiliyor. Her sonlu boyut d için, belirli bir maksimum dolaşmış durumdan elde edilebilen maksimum dolaşmış durum vektörlerinin bir temeli ve tr(U † j U k)'yi karşılayan üniter operatörlerin bir temeli (Uk) kullanılarak ideal bir ışınlanma şeması formüle edilebilir. ) = dδ j,k . Böyle bir protokol, herhangi bir sonlu boyutlu Hilbert uzayı için oluşturulabilir. ayrık değişken sistemler.

Ayrıca kuantum ışınlanma, sürekli değişken sistemler adı verilen sonsuz boyutlu Hilbert uzayına sahip sistemlere de uzanabilir. Kural olarak, elektrik alanı kareleme operatörleri tarafından tanımlanabilen optik bozonik modlarla gerçekleştirilirler.

Hız ve belirsizlik ilkesi

Kuantum ışınlanmanın hızı nedir? Bilgi, aynı miktardaki klasik iletim hızına benzer bir hızda iletilir - belki de Teorik olarak, klasiklerin kullanamayacağı şekillerde kullanılabilir - örneğin, verilere yalnızca alıcının erişebildiği kuantum hesaplamada.

Kuantum Işınlanma İhlal Ediyor mu Geçmişte ışınlanma fikri bilim insanları tarafından pek ciddiye alınmıyordu çünkü herhangi bir ölçüm veya tarama işleminin bir atomun veya başka bir nesnenin tüm bilgilerinin çıkarılmasını yasaklayan prensibi ihlal ettiği düşünülüyordu. Belirsizlik ilkesine göre, bir nesne ne kadar doğru taranırsa, tarama sürecinden o kadar etkilenir, ta ki nesnenin orijinal durumunun artık yeterli bilgi elde edilemeyecek kadar bozulduğu bir noktaya gelindiğinde. Tam bir kopya oluşturmak için. Bu kulağa inandırıcı geliyor: Eğer bir kişi ideal bir kopya oluşturmak için bir nesneden bilgi çıkaramıyorsa, o zaman ikincisi yapılamaz.

Aptallar için kuantum ışınlanması

Ancak altı bilim insanı (Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jossa, Asher Perez ve William Wouters), kuantum mekaniğinin Einstein-Podolsky-Rosen etkisi olarak bilinen ünlü ve paradoksal özelliğini kullanarak bu mantığı aşmanın bir yolunu buldular. Işınlanan A nesnesinin bilgilerinin bir kısmını tarayıp, kalan doğrulanmamış kısmı da söz konusu etki ile A ile hiç temas kurmamış başka bir C nesnesine aktarmanın bir yolunu buldular.

Daha sonra, taranan bilgiye bağlı olarak C'ye bir uyaran uygulanarak, taramadan önce C'nin A durumuna getirilmesi mümkündür. A'nın kendisi artık bu durumda değildir, tarama süreciyle tamamen değişmiştir, dolayısıyla elde edilen şey kopyalama değil ışınlanmadır.

Menzil için savaşın

• İlk kuantum ışınlama, 1997 yılında Innsbruck Üniversitesi ve Roma Üniversitesi'nden bilim adamları tarafından neredeyse aynı anda gerçekleştirildi. Deney sırasında orijinal polarize foton ve dolaşmış foton çiftinden biri, ikinci foton orijinalinin polarizasyonunu alacak şekilde değiştirildi. Bu durumda her iki foton da birbirinden uzaktaydı.
• 2012 yılında, 97 km uzaklıktaki yüksek bir dağ gölü aracılığıyla başka bir kuantum ışınlanma gerçekleşti (Çin, Bilim ve Teknoloji Üniversitesi). Huang Yin liderliğindeki Şangaylı bir bilim insanı ekibi, ışını tam olarak hedeflemeyi mümkün kılan bir yönlendirme mekanizması geliştirmeyi başardı.
• Aynı yılın Eylül ayında 143 km'lik rekor bir kuantum ışınlanması gerçekleştirildi. Avusturya Bilimler Akademisi ve Viyana Üniversitesi'nden Anton Zeilinger liderliğindeki Avusturyalı bilim adamları, iki Kanarya adası olan La Palma ve Tenerife arasında kuantum durumlarını başarıyla aktardılar. Deneyde kuantum ve klasik olmak üzere iki boş uzay optik iletişim hattı, frekansla ilişkisiz polarizasyonla dolaşmış bir kaynak foton çifti, ultra düşük gürültülü tek foton dedektörleri ve eşleştirilmiş saat senkronizasyonu kullanıldı.
• 2015 yılında Amerikan Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar ilk kez fiber optik aracılığıyla 100 km'den fazla mesafeye bilgi aktardı. Bu, enstitüde molibden silisitten yapılmış süper iletken nanoteller kullanılarak oluşturulan tek fotonlu dedektörler sayesinde mümkün oldu.

İdeal bir kuantum sisteminin veya teknolojisinin henüz mevcut olmadığı ve geleceğe dair büyük keşiflerin henüz gerçekleşmediği açıktır. Ancak ışınlanmanın belirli uygulamaları için olası adaylar belirlenmeye çalışılabilir. Uyumlu bir çerçeve ve yöntemler sağlandığında bunların uygun şekilde melezleştirilmesi, kuantum ışınlanma ve uygulamaları için en umut verici geleceği sağlayabilir.

Kısa mesafeler

Kuantum hesaplamanın bir alt sistemi olarak kısa mesafelerde (1 m'ye kadar) ışınlanma, en iyisi QED devresi olan yarı iletken cihazlarda ümit vericidir. Özellikle süper iletken transmon kubitleri, bir çip üzerinde deterministik ve yüksek hassasiyetli ışınlanmayı garanti edebilir. Ayrıca, fotonik çiplerde sorunlu görünen gerçek zamanlı doğrudan beslemeye de izin veriyorlar. Ayrıca tuzaklanmış iyonlar gibi önceki yaklaşımlara kıyasla daha ölçeklenebilir bir mimari ve mevcut teknolojilerin daha iyi entegrasyonunu sağlarlar. Şu anda bu sistemlerin tek dezavantajı sınırlı tutarlılık süreleri gibi görünmektedir (<100 мкс). Эта проблема может быть решена с помощью интегрирования схемы QED с полупроводниковыми спин-ансамблевыми ячейками памяти (с азотно-замещенными вакансиями или легированными редкоземельными элементами кристаллами), которые могут обеспечить длительное время когерентности для квантового хранения данных. В настоящее время данная реализация является предметом приложения больших усилий научного сообщества.

Şehir iletişimi

Şehir ölçeğinde ışınlanma iletişimi (birkaç kilometre) optik modlar kullanılarak geliştirilebilir. Yeterince düşük kayıplarla bu sistemler yüksek hız ve bant genişliği sağlar. Topluluk kuantum belleğiyle olası entegrasyonla, masaüstü uygulamalarından hava veya fiber optik üzerinden çalışan orta sınıf sistemlere kadar genişletilebilirler. Hibrit bir yaklaşım kullanılarak veya Gaussian olmayan süreçlere dayalı iyi tekrarlayıcılar geliştirilerek daha uzun mesafelere ancak daha düşük hızlara ulaşılabilir.

Uzun mesafeli iletişim

Uzun mesafeli kuantum ışınlanması (100 km'nin üzerinde) aktif bir alandır, ancak yine de açık bir sorunla karşı karşıyadır. Polarizasyon kübitleri, uzun fiber optik bağlantılar üzerinden ve havadan düşük hızlı ışınlanma için en iyi ortamdır, ancak protokol şu anda eksik Bell tespiti nedeniyle olasılıksaldır.

Her ne kadar olasılıksal ışınlanma ve dolaşma, dolaşma damıtma ve kuantum kriptografi gibi problemler için kabul edilebilir olsa da, bu, giriş bilgilerinin tamamen korunması gereken iletişimden açıkça farklıdır.

Bu olasılıksal doğayı kabul edersek, uydu uygulamaları modern teknolojinin erişimindedir. İzleme yöntemlerinin entegrasyonunun yanı sıra asıl sorun, ışın yayılmasından kaynaklanan yüksek kayıplardır. Dolaşmanın uydudan geniş açıklıklı yer tabanlı teleskoplara dağıtıldığı bir konfigürasyonda bu durumun üstesinden gelinebilir. 600 km yükseklikte 20 cm'lik bir uydu açıklığını ve yerde 1 m'lik bir teleskop açıklığını varsayarsak, yaklaşık 75 dB'lik aşağı bağlantı kaybı bekleyebiliriz; bu, yer seviyesindeki 80 dB'lik kayıptan daha azdır. Yerden uyduya veya uydudan uyduya uygulamalar daha karmaşıktır.

Kuantum hafızası

Ölçeklenebilir bir ağın parçası olarak ışınlanmanın gelecekte kullanılması doğrudan kuantum hafızayla entegrasyonuna bağlıdır. İkincisi, dönüşüm verimliliği açısından mükemmel radyasyon-madde arayüzüne, yazma ve okuma doğruluğuna, depolama süresine ve verimine, yüksek hıza ve depolama kapasitesine sahip olmalıdır. Her şeyden önce bu, tekrarlayıcıların kullanımının, hata düzeltme kodlarını kullanarak iletişimi doğrudan iletimin çok ötesine genişletmesine olanak tanıyacaktır. İyi bir kuantum belleğin geliştirilmesi, yalnızca dolaşıklığın ağlar ve ışınlanma iletişimleri arasında dağıtılmasını değil, aynı zamanda depolanan bilgilerin tutarlı bir şekilde işlenmesini de mümkün kılacaktır. Sonuçta bu, ağı küresel olarak dağıtılmış bir ağa veya gelecekteki kuantum internetin temeline dönüştürebilir.

Umut verici gelişmeler

Atomik topluluklar, verimli ışık-madde dönüşümleri ve küresel ölçekte ışık iletimi için gerekli olan 100 ms'ye ulaşabilen milisaniyelik raf ömürleri nedeniyle geleneksel olarak çekici kabul edilmiştir. Bununla birlikte, mükemmel spin topluluğu kuantum belleğinin ölçeklenebilir QED devre mimarisiyle doğrudan entegre edildiği yarı iletken tabanlı sistemlerde bugün daha umut verici gelişmeler bekleniyor. Bu bellek yalnızca QED devresinin tutarlılık süresini uzatmakla kalmaz, aynı zamanda optik telekomünikasyon ve çip mikrodalga fotonlarının birbirine dönüştürülmesi için bir optik-mikrodalga arayüzü de sağlar.

Bu nedenle, kuantum internet alanında bilim adamlarının gelecekteki keşifleri büyük olasılıkla kuantum bilgilerinin işlenmesi için yarı iletken düğümlerle birleştirilmiş uzun mesafeli optik iletişime dayanacaktır.

Kuantum ışınlanma- bu fiziksel nesnelerin, enerjinin değil, durumların ışınlanmasıdır. Ancak bu durumda durumlar, klasik gösterimde yapılması imkansız olan bir şekilde iletilmektedir. Kural olarak, bir nesne hakkında bilgi iletmek çok sayıda kapsamlı ölçüm gerektirir. Ama kuantum durumunu yok ediyorlar ve onu yeniden ölçmenin hiçbir yolu yok. Kuantum ışınlama, belirli bir durumu, onun hakkında minimum bilgiye sahip olarak, içine "bakmadan", ölçmeden ve dolayısıyla onu rahatsız etmeden iletmek ve aktarmak için kullanılır.

Kübitler

Bu klasik yolla bilgi edinmenin bir örneğidir. Büyük miktarda veri alan alıcı bu durumu yeniden oluşturabilir. Ancak kuantum mekaniği pek çok durumun hazırlanmamasını mümkün kılmaktadır. Elimizde yalnızca bir tane benzersiz olduğunu ve başkasının olmadığını hayal edelim. O zaman onu klasiklerde anlatmak artık mümkün olmayacak. Fiziksel olarak doğrudan bu da her zaman mümkün değildir. Ve kuantum mekaniğinde dolaşıklık etkisini kullanabiliriz.

Kuantum mekansızlığı olgusunu yani alıştığımız dünyada gerçekleşmesi mümkün olmayan bir olguyu da bu durumun burada kaybolması ve orada ortaya çıkması için kullanıyoruz. Üstelik en ilginç olanı, aynı kuantum nesnelerle ilgili olarak klonlanmamayla ilgili bir teoremin olmasıdır. Yani ikinci bir özdeş durum yaratmak imkansızdır. Diğerinin ortaya çıkması için birinin yok edilmesi gerekir.

Kuantum dolaşıklığı

Kuantum durumu farklıdır, çünkü ölçümden önce bana gelen durum ne mavi ne de yeşildir; mavi ve yeşilin süperpozisyonudur. Botları ayırdığınızda sonuç zaten önceden belirlenmiş olur. Çantalar taşınırken henüz açılmadı ama orada ne olacağı zaten belli. Kuantum nesneleri ölçülene kadar henüz hiçbir şeye karar verilmiş değil.

Rengi değil polarizasyonu yani elektrik alanının salınım yönünü alırsak iki seçeneği ayırt edebiliriz: dikey ve yatay polarizasyon ve +45° - -45°. Yatay ve düşeyleri eşit oranlarda toplarsanız +45°, birini diğerinden çıkarırsanız -45° elde edersiniz. Şimdi bir fotonun bana, diğerinin de size aynı şekilde geldiğini hayal edelim. Baktım: dikey. Yani sizinki yatay. Şimdi dikey bir tane gördüğümü ve ona çapraz olarak baktığınızı varsayalım, yani eğer ona bakarsanız - +45° veya -45°, eşit olasılıkla bir veya diğer sonucu göreceksiniz. Ancak köşegen tabanına bakıp +45° gördüysem, o zaman -45°'ye sahip olduğunuzdan eminim.

Einstein-Podolsky-Rosen paradoksu

Ama aslında bu, görelilik teorisini ihlal etmiyor çünkü hala bu etkiyi kullanarak bilgi aktaramıyoruz. Dikey veya yatay bir foton ölçülür. Ancak tam olarak ne olacağı önceden bilinmiyor. Bilgiyi ışık hızından daha hızlı iletmek imkansız olmasına rağmen dolaşıklık, kuantum ışınlanma protokolünün uygulanmasını mümkün kılıyor. Nedir? Dolaşmış bir foton çifti doğar. Biri vericiye, diğeri alıcıya gider. Verici, iletmesi gereken hedef fotonun ortak ölçümünü yapar. Ve ¼ olasılıkla sonucu iyi alacaktır. Bunu alıcıya iletebilir ve alıcı o anda vericinin sahip olduğu durumun tamamen aynısına sahip olduğunu bilir. Ve ¾ olasılıkla farklı bir sonuç elde eder - sadece başarısız bir ölçüm değil, aynı zamanda sadece farklı bir sonuç. Ancak her durumda bu, alıcıya aktarılabilecek faydalı bilgilerdir. Dört vakadan üçünde, alıcının iletilen durumu elde etmek için kübitinde ek bir dönüş yapması gerekir. Yani 2 bitlik bilgi iletilir ve onların yardımıyla kodlanamayan karmaşık bir durumu ışınlayabilirsiniz.

Kuantum kriptografisi

Bu teknolojinin büyük bir dezavantajı var. Gerçek şu ki, daha önce de söylediğimiz gibi, bir fotonun kopyasını oluşturmak imkansızdır. Bir optik fiberdeki normal bir sinyal güçlendirilebilir. Kuantum durumunda, sinyali yükseltmek imkansızdır çünkü yükseltme bir tür önleyiciye eşdeğer olacaktır. Gerçek hayatta, gerçek hatlarda iletim yaklaşık 100 kilometrelik mesafelerle sınırlıdır. 2016 yılında Rus Kuantum Merkezi, Gazprombank hatlarında kentsel ortamda 30 kilometrelik fiber üzerinde kuantum kriptografiyi gösteren bir gösteri gerçekleştirdi.

Laboratuvarda 327 kilometreye kadar mesafelerde kuantum ışınlanmayı gösterebiliyoruz. Ancak ne yazık ki uzun mesafeler pratik değildir çünkü fotonlar fiberde kaybolur ve hız çok düşüktür. Ne yapalım? Bilgiyi alacak, şifresini çözecek, ardından tekrar şifreleyip daha fazla iletecek bir ara sunucu kurabilirsiniz. Örneğin Çinlilerin kuantum kriptografi ağlarını oluştururken yaptığı şey budur. Amerikalılar da aynı yaklaşımı kullanıyor.

Bu durumda kuantum ışınlanması, kuantum kriptografi sorununu çözmenize ve mesafeyi binlerce kilometreye çıkarmanıza olanak tanıyan yeni bir yöntemdir. Ve bu durumda iletilen aynı foton birçok kez ışınlanır. Dünya çapında birçok grup bu görev üzerinde çalışıyor.

Kuantum hafızası

Kuantum kriptografisinde bir nevi ara istasyondur. Bu tür istasyonlara kuantum tekrarlayıcılar adı veriliyor ve bunlar artık araştırma ve deneylerin ana alanlarından biri. Bu popüler bir konu; 2010'ların başında tekrarlayıcılar çok uzak bir olasılıktı, ancak şimdi bu görev mümkün görünüyor. Büyük ölçüde teknolojinin telekomünikasyon standartları da dahil olmak üzere sürekli gelişmesi nedeniyle.

Deneyin laboratuvardaki ilerlemesi

Başlangıç ​​durumu lazer ile hazırlanır. Dolaşmış durumları hazırlamak için, darbeli veya sürekli bir lazerle pompalanan doğrusal olmayan bir kristal kullanılır. Doğrusal olmayan etkiler nedeniyle foton çiftleri doğar. İki - ℏ(2ω) enerjili bir fotonumuz olduğunu, bir - ℏω+ ℏω enerjili iki fotona dönüştürüldüğünü hayal edelim. Bu fotonlar yalnızca birlikte doğarlar; önce bir foton, sonra diğeri ayrılamaz. Ve bunlar birbirine bağlı (dolaşık) ve klasik olmayan korelasyonlar sergiliyorlar.

Tarih ve güncel araştırmalar

Kuantum ışınlanması teorik olarak 1993 yılında Charles Bennett liderliğindeki bir grup Amerikalı bilim adamı tarafından önerildi ve bu terim o zaman ortaya çıktı. İlk deneysel uygulama 1997 yılında Innsbruck ve Roma'da iki grup fizikçi tarafından gerçekleştirildi. Yavaş yavaş, bilim adamları durumları giderek daha büyük mesafelere (bir metreden yüzlerce kilometreye veya daha fazlasına) aktarmayı başardılar.

Artık insanlar gelecekte kuantum tekrarlayıcıların temelini oluşturabilecek deneyler yapmaya çalışıyor. 5-10 yıl içinde gerçek kuantum tekrarlayıcıları görmemiz bekleniyor. Mayıs 2016'da Alexander Lvovsky'nin laboratuvarındaki Kuantum Merkezinde hibrit kuantum ışınlamanın gerçekleştirilmesi de dahil olmak üzere, farklı doğadaki nesneler arasındaki durum transferinin yönü de gelişiyor. Teori de yerinde durmuyor. Aynı Kuantum Merkezinde, Alexey Fedorov liderliğinde, tek yönde değil çift yönlü bir ışınlanma protokolü geliştiriliyor, böylece bir çiftin yardımıyla devletler aynı anda birbirlerine ışınlanabiliyor.

Kuantum kriptografisi üzerindeki çalışmalarımız bir kuantum dağıtımı ve anahtar cihazı yaratıyor; bu, ele geçirilemeyecek bir anahtar ürettiğimiz anlamına geliyor. Ve daha sonra kullanıcı, tek kullanımlık ped olarak adlandırılan bu anahtarla bilgileri şifreleyebilir. Önümüzdeki on yılda kuantum teknolojilerinin yeni avantajları ortaya çıkacak. Kuantum sensörlerinin oluşturulması gelişiyor. Bunların özü, kuantum etkileri sayesinde örneğin manyetik alanı ve sıcaklığı çok daha doğru bir şekilde ölçebilmemizdir. Yani, elmaslardaki sözde NV merkezleri alınır - bunlar küçük elmaslardır, kuantum nesneleri gibi davranan nitrojen kusurlarına sahiptirler. Donmuş tek bir atoma çok benzerler. Bu kusura bakıldığında tek bir hücrenin içinde bile sıcaklık değişimleri gözlemlenebilir. Yani sadece koltuk altındaki sıcaklığı değil, hücre içindeki organelin sıcaklığını da ölçün.

Kuantum mekaniği insan hayatını büyük ölçüde değiştirdi. Yarı iletkenler, atom bombası, nükleer enerji; bunların hepsi onun sayesinde çalışan nesnelerdir. Artık tüm dünya, dolaşık olanlar da dahil olmak üzere tek parçacıkların kuantum özelliklerini kontrol etmeye başlamak için mücadele ediyor. Örneğin ışınlanma üç parçacık içerir: bir çift ve bir hedef parçacık. Ancak her biri ayrı ayrı yönetiliyor. Temel parçacıkların bireysel kontrolü, kuantum bilgisayarı da dahil olmak üzere teknoloji için yeni ufuklar açıyor.

Yuri Kurochkin, Fiziksel ve Matematik Bilimleri Adayı, Rusya Kuantum Merkezi Kuantum İletişim Laboratuvarı Başkanı.

Etiketler:

Dünya ile uzay arasında yaklaşık 1200 kilometre uzaklıkta! Araştırmacılar ayrıca Dünya ile Ay arasındaki kuantum ışınlanma konusunda da benzer deneyler yapmayı planlıyor.

Işınlanma... Kahramanların ışınlanmayı kullanarak saniyeler içinde devasa mesafeler kat ettiği, bilim kurgu kitaplarından, uzay maceralarıyla ilgili hikayelerden bir kelime. Kuantum ışınlamanın nesnelerin gerçek hareketiyle hiçbir ilgisi yoktur. O halde bu nedir ve neden buna denir? Kuantum ışınlanması hakkında AiF.ru Politeknik Müzesi'nin fizik laboratuvarı başkanı Yuri Mikhailovsky şunları söyledi::

— Kuantum ışınlanmada, kelimenin alışılmış anlamıyla ışınlanmada olduğu gibi, bir nesnenin uzayda bir yerden diğerine hareketinin olmadığını anlamalısınız. Kuantum ışınlanmanın yardımıyla ışınlanan, yani anında hareket eden nesnenin kendisi değil, bu nesnenin durumudur! Kabaca söylemek gerekirse, belirli bir duruma sahip belirli bir nesnemiz var ve kuantum ışınlanmanın yardımıyla bu durumu başka bir yere aktararak aynı özelliklere sahip bir nesnenin orada görünmesini sağlayabiliriz. (Çin'de, Dünya'daki iki nokta arasındaki parçacıkların durumu, bu deney uğruna yörüngeye fırlatılacakları bir uzay uydusu kullanılarak iletilecek - editörün notu.) Ama nesne hakkında - şartlı olarak. Açıklayayım: Şu anda karmaşık nesnelerin durumunun nasıl aktarılacağını bilmiyoruz. Bireysel atomların veya fotonların durumunun aktarılmasından bahsediyoruz, başka bir şey değil.

Kuantum ışınlanmasını gerçekleştirmek için kuantum dolaşık bir çift oluşturmanız gerekir. Basit olması açısından tek bir durumdan, parçacığın dönüş durumundan bahsedeceğiz. İki durumda olabilir: yukarı dönüş ve aşağı dönüş. Bu halleri aktarmaya çalışacağız. Yani kuantum dolaşık çift (genellikle bir çift ışık fotonu) adı verilen şeyi yaratmaya çalışıyoruz. Toplam dönüşleri sıfır olacak şekilde tasarlanmıştır. Yani fotonlardan birinin yukarı dönüşü, diğerinin aşağı dönüşü var, bu çifti oluşturduğumuzda bunların toplamı sıfır oluyor. Aynı zamanda fotonların nereye baktığını bilmediğimiz gibi, fotonlar da sırtlarının hangi yöne dönük olduğunu bilmiyorlar. Karışık denilen, belirsiz bir durumdalar. Belki dönüş yukarı, belki aşağı, ölçüm işlemi gerçekleştirilene kadar kimse bilemez.

Ancak bir dönüşü ölçersek ve o yukarıya bakarsa diğer fotonun dönüşünün aşağıya bakacağına dair bir garantimiz var. Şimdi iki dolaşmış fotonu alalım ve onları geniş bir mesafeye, örneğin bir kilometreye yayalım. Ve burada fotonlardan birini alıp durumunu ölçüyoruz. Yukarıya doğru bir dönüşe sahip olduğunu tespit ediyoruz ve şu anda bir kilometre uzaklıkta başka bir karışık fotonun dönüşü aşağı dönüşlü bir duruma dönüşüyor. Bir fotonu ölçerek başka bir fotonun durumunu değiştirdik.

Genellikle bu iki dolanık fotona Ancil ve Bob adı verilir.

Kuantum dolaşmanın bu etkisi ışınlanma için kullanılır. Işınlanmak istediğimiz, genellikle Alice denilen bir dönüşümüz var. Böylece Alice ve Ansila'nın toplam dönüşü ölçülür ve şu anda Bob, Alice'in durumunu veya eşlenikini (tersi) alır. Hangisi olduğunu tam olarak ölçüm sonucundan öğreniyoruz. Bundan sonra bu bilgiyi düzenli bir iletişim kanalı üzerinden aktarmamız gerekiyor. Bob'u teslim etmeli miyim, etmemeli miyim?

Örneğin, 10 dönüş durumunu iletirsek, ışınlanmayı tamamlamak için şu formda bir mesaj iletmek gerekir: "1, 3, 5, 6 ve 8'in karşıt durumlarına geçin."

Kuantum ışınlanma bu şekilde çalışır.

RuNet daha önce hiç, Kommersant gazetesinde Rusya'da “ışınlanma”yı tanıtma planlarından bahseden bir makalenin yayınlanmasından sonra kuantum mekaniği konusunda bu kadar bilgi açlığı yaşamamıştı. Ancak Stratejik Girişimler Ajansı'nın (ASI) Rusya'nın teknolojik gelişimine yönelik programı "ışınlanma" ile sınırlı değil, sosyal ağların ve medyanın dikkatini çeken ve ışınlanmanın nedeni haline gelen de bu terimdir. birçok şaka.

Daha sonra dolaşık parçacıklar gerekli mesafeye taşınır; böylece A ve B fotonları bir yerde, C fotonları ise başka bir yerde kalır. İki nokta arasına bir fiber optik kablo döşenir. Kuantum ışınlamanın gerçekleştirildiği maksimum mesafenin halihazırda 100 km'den fazla olduğunu unutmayın.

Amaç, dolaşmamış A parçacığının kuantum durumunu C parçacığına aktarmaktır. Bunu yapmak için bilim insanları, A ve B fotonlarının kuantum özelliğini ölçer. Ölçüm sonuçları daha sonra A ve B parçacıkları arasındaki farkları söyleyen ikili bir koda dönüştürülür. .

Bu kod daha sonra geleneksel bir iletişim kanalı (bir optik fiber) üzerinden iletilir ve kablonun diğer ucundaki C parçacığına sahip olan mesajın alıcısı, bu bilgiyi C parçacığını manipüle etmek için bir talimat veya anahtar olarak kullanır. özü, C parçacığı A'nın yardımıyla C parçacığının sahip olduğu durumu geri yükler. Sonuç olarak, C parçacığı, A parçacığının kuantum durumunu kopyalar - bilgi ışınlanır.

Bütün bunlara neden ihtiyaç duyuldu?

Öncelikle kuantum ışınlamanın kuantum iletişiminde ve kuantum kriptografi teknolojilerinde kullanılması planlanıyor - bu tür iletişimin güvenliği hem iş dünyası hem de devlet açısından cazip görünüyor ve kuantum ışınlamanın kullanılması, bilgi kaybının önlenmesini sağlıyor. fotonlar bir optik fiber boyunca hareket eder.

Örneğin, yakın zamanda kuantum bilgilerinin Moskova'daki iki Gazprombank ofisi arasında 30,6 kilometre uzunluğundaki bir optik fiber aracılığıyla başarılı bir şekilde aktarıldığı biliniyordu. Rusya Kuantum Merkezi'nin (RCC) üzerinde çalıştığı, Gazprombank ile Rusya Federasyonu Eğitim ve Bilim Bakanlığı'nın 450 milyon ruble yatırım yaptığı proje, aslında Rusya'nın ilk "kentsel" kuantum iletişim hattı oldu.

Diğer bir yön ise, dolaşmış parçacıkların kubitler (kuantum bilgi birimleri) olarak kullanılabileceği kuantum bilgisayarlarıdır.

Diğer bir fikir ise “kuantum internet”tir: yalnızca kuantum iletişimine dayalı bütün bir iletişim ağı. Ancak Calgary Üniversitesi'nden RCC çalışanı ve profesörü Alexander Lvovsky, bu konsepti uygulamak için araştırmacıların "farklı fiziksel yapıya sahip nesneler (fotonlar, atomlar, kuantum noktaları, süper iletken devreler vb.) arasında kuantum durumlarını aktarmayı öğrenmesi gerektiğini" belirtti. N+1 ile bir görüşmede.

Şu anda bilim adamlarının esas olarak fotonların ve atomların durumlarını ışınladığını unutmayın; Daha büyük nesneler henüz ışınlanmadı.

“Aynı” ışınlanma olarak kuantum ışınlanma

Görünen o ki, varsayımsal olarak kuantum ışınlama, insanlar da dahil olmak üzere büyük nesnelerin kopyalarını oluşturmak için hala kullanılabilir; sonuçta vücut aynı zamanda kuantum durumları ışınlanabilen atomlardan da oluşur. Ancak teknoloji gelişiminin şu anki aşamasında bunun imkansız olduğu düşünülüyor ve bilim kurgu alanına havale ediliyor.

“Oksijen, hidrojen ve karbonun yanı sıra küçük bir miktar diğer kimyasal elementlerden oluşuyoruz. Gerekli elementlerin gerekli sayıda atomunu toplarsak ve sonra ışınlanmayı kullanarak bunları ışınlanan kişinin vücudundaki durumlarıyla aynı duruma getirirsek, aynı kişiyi elde ederiz. Uzaydaki konumu dışında fiziksel olarak orijinalinden ayırt edilemez (sonuçta özdeş kuantum parçacıkları ayırt edilemez). Elbette aşırı derecede abartıyorum; bizi insanların ışınlanmasından ayıran tam bir sonsuzluk var. Ancak meselenin özü tam olarak şu: özdeş kuantum parçacıkları her yerde bulunuyor, ancak onları istenen kuantum durumuna getirmek hiç de kolay değil” dedi Alexander Lvovsky, N+1 ile yaptığı görüşmede.

Bir yazım hatası mı buldunuz? Metni seçin ve Ctrl + Enter tuşlarına basın