Квантовая телепортация – одно из особо увлекательных и феноменальных проявлений квантовой природы, пробуждающее в последние годы большую заинтересованность профессионалов и широкой публики. Слово телепортация заимствовано из научной фантастики, но обширно применяется и в современной научной литературе.
Телепортация, как способность перемещения материальных объектов, и живых и не живых, – это явление, которое может изменить направление развития цивилизации. Телепортация изменила бы принципы и правила ведения войн. Система транспорта (автомобили и дороги, корабли и морские пути, самолеты и авиалинии, поезда и железнодорожные пути) и многочисленные отрасли экономики и промышленности с ними связанные устарели бы; мы могли бы просто телепортироваться из дома на работу и мгновенно перемещать грузы и товары в нужное место. Переезд или перелет в отпуск перестал бы быть проблемой – мы легко телепортировались бы прямо к месту отдыха, телепортация изменила бы все.
Самые ранние упоминания о возможности такого рода перемещений обнаружены в религиозных текстах, например, место о деяниях апостолов Нового Завета предполагает, телепортацию Филиппа из Газы в Азот [2].
Термин «телепортация» введён в 1931 г. американским писателем Чарльзом Фортом с целью отображения необычных исчезновений и возникновений, паранормальных явлений, которые, согласно его взгляду, имели что-то общее [2].
Телепортация – это результат быстрого перемещения вещи или тела на любую дистанцию, когда они исчезают в исходном месте и возникают в конечном. Хотя были открыты несколько видов телепортации (пси-телепортация, гротовые норы, дырочная телепортация), всемирное признание получила только квантовая телепортация [2].
Почему телепортация в этом смысле невозможна?
Прежде всего, потому, что процесс обработки данных и их расшифровки занимает неизмеримо большее время, чем тысячные доли секунды, в которые сохраняется связь между точкой сборки и точкой разборки даже в лучших экспериментах. По этой причине вероятность того, что копия будет подобна оригиналу, подает до слишком рискованных величин. Кроме того, совершенно неясно, как поведут себя структуры, связанные с сознанием. Малейшее колебание температуры или влажности может привести к непредсказуемым изменениям в психике. Вопросов больше, чем при клонировании. Не нарушаются ли при телепортации связи в организме? Не потечет ли, скажем, кровь в обратном направлении и не будем ли мы вставать, когда захочется сесть? Сохраняться ли врожденные рефлекмы, которые гарантируют биологическую устойчивость homo sapiens? [3].
Материальный объект при перемещении в пространстве связан с изменением его состояния, энергии, а любые изменения происходят только здесь и только сейчас, в определенный момент времени. В прошлом данных изменений уже нет, а в будущем еще нет.Перенос изменений (процессов) во времени и пространстве принципиально невозможен. А существование материального объекта без процессов тоже невозможно.
В рамках классической механики, теории Ньютона телепортация абсолютноневозможна. Объекты не приходят в движение, без воздействия силы; объекты не исчезают внезапно и не появляются заново в другом месте [1]. Законы Ньютона,без граничных условий, принимались 250 лет, и физическая картина мира быладополнена в 1925 г., когда Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер (создатель знаменитого волнового уравнения, названного его именем) и их коллеги разработали квантовую теорию. Анализируя странные свойства атомов, физики обнаружили, что электрон проявляет себя как волна и в кажущейся хаотичности своего движения внутри атома может совершать квантовые переходы, изменяя состояние атома.
В отличие от телепортации, как гипотетического процесса, квантовая телепортация имеет под собой теоретическую основу. Квантовую телепортацию не следует путать с телепортацией, как с переносом в пространстве объектов и людей из фантастичных кинофильмов.Квантовая телепортация – передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в пространстве сцепленной (запутанной) пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения, после чего воссоздаётся в точке приёма [4].В случае квантовой телепортации на расстояние передается не объект, а сведения о его квантовом состоянии. Вся проблема в том, что все без исключения квантовые объекты (фотоны, простые частицы), а совместно с ними и атомы одного вида считаются совершенно одинаковыми. По этой причине, в случае, если частица в пункте приема обретает квантовое состояние, схожее атому в пункте передачи, то это равнозначно формированию копии атома в пункте приема. В случае, если бы была вероятность перенесения квантового состояния абсолютно всех атомов объекта, в таком случае в участке приема появилась бы его безупречная копия. С целью передачи данных возможно телепортировать кубиты – наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере [5].
Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики [6].
Чтобы понимать, как работает новый процессор, необходимо иметь знания принципов квантовой механики. Математические раскладки и вывод формул использует методы высшей математики. Для понимания процесса достаточно ознакомиться с тремя отличительными особенностями квантовой механики: Состояние или положение частицы определяется с какой-либо долей вероятности. Если частица может иметь несколько состояний, то она и находится сразу во всех возможных состояниях. Это принцип суперпозиции. Процесс измерения состояния частицы приводит к исчезновению суперпозиции. Характерно, что полученное измерением знание о состоянии частицы отличается от реального состояния частицы до проведения замеров [7].
Главный элемент квантового компьютера – кубит, объект, который способен находиться сразу в двух состояниях одновременно. Причем при измерении этого кубита будет с некоторой вероятностью выпадать одно из состояний. Например, в 25 процентах случаев – «ноль», в 75 процентах случаев – «единица». В кубитах на основе сверхпроводящих колец суперпозиция достигается тем, что ток одновременно движется и по, и против часовой стрелки. В устройствах на основе холодных атомов кубиты находятся сразу в двух различных электронных состояниях. Запутанность кубитов определяется тем, ведут ли они себя как единая система, или же могут разбиваться на отдельные независимые состояния [8].
Проявление квантовой телепортации — передачи квантовых данных на расстояние от одного носителя другому — ранее отмечалось в практике в случае двух фотонов, фотонов и группы атомов, а кроме того двух атомов, посредником между которыми работал третий. Но ни один из предложенных методов никак не подходил для фактического применения [9].
Более реальной и свободно реализуемой на данном фоне смотрится модель, предложенная экспертами из Университета Мэриленда (США) в 2008 г. Под руководством Кристофера Монро научным работникам получилось реализовать перемещение квантовой информации среди двух заряженных частиц (ионами иттербия), размещенными в метре друг от друга, при этом коэффициент надежности доставки превысил 90%. Каждую из них разместили в вакуум и удерживали на месте с помощью электрического поля. Потом с помощью сверхбыстрого лазерного импульса их вынудили одновременно излучить фотоны, благодаря взаимодействию которых частицы вступили в состояние так именуемой квантовой запутанности, и «атом В приобрел свойства атома А, невзирая на то, что они были в разных камерах на расстоянии одного метра друг от друга»[9].
В 2012 г. ученые-физики из Венского университета и Австрийской академии наук благополучно реализовали квантовую телепортацию на рекордную дистанцию в 143 километров — между двумя островами Канарского архипелага — Ла Пальма-де-Мальорка и Тенерифе. Предшествующий рекорд был установлен за несколько месяцев до этого китайскими учеными, выполнившими телепортацию квантового состояния на 97 километров. Эксперты убеждены в том, что данные опыты дадут возможность сформировать в будущем сеть спутниковой квантовой связи [9].
За последние годы российские ученые и их коллеги из зарубежных стран создали десятки систем квантовой связи, узлы которых могут обмениваться данными на довольно больших расстояниях — около 200-300 километров. Все попытки расширить эти сети до международного и межконтинентального уровня столкнулись с непреодолимыми трудностями, связанными с тем, что свет поглощается при движении по оптоволокну [10].
Физики из Китая и Австрии провели при помощи первого квантового спутника связи "Мо-Цзы" первую межконтинентальную "телепортацию" частиц и сеанс конференцсвязи, защищенной на квантовом уровне. За год после запуска "Мо-Цзы" мы смогли реализовать три главных шага на пути создания "квантового интернета". Нам удалось передать квантовые ключи со спутника на Землю на дистанции в 1200 километров, связать две разные точки на поверхности планеты на аналогичном расстоянии, а также провести первые опыты по орбитальной квантовой телепортации. Благодаря этому мы в 20 раз улучшили качество связи по сравнению с оптоволоконными системами", — заявили китайские ученые [10].
Для этого эксперимента китайские ученые объединили спутниковые каналы квантовой связи с уже имеющейся наземной квантовой сетью, соединяющей Пекин, Шанхай и несколько других китайских городов. Аналогичная сеть была построена между Веной и городом Грац, где находятся станции космической квантовой связи. Эти сети и "Мо-Цзы" помогли физикам установить связь между Пекином и Веной [10].Вероятно будущие открытия ученых в области квантовой передачи информации, будут основаны на дальней оптической связи, сопряженной с полупроводниковыми узлами для передачи и обработки информации.
Теоретические разработки в области квантовых вычислений используют для решения поставленных задач методы:
- теорию информации, теорию сложности алгоритмов,
- математические методы, в частности теорию вероятности и математическую статистику, комбинаторный анализ,дискретную математику,
- методы математического и имитационного моделирования;
- методы теоретической физики;
- экспериментальные методы в области волновой и квантовой оптики.
Теоретические результаты достигнуты в квантовой криптографии, имеющие серьезное прикладное значение в области инфокоммуникационных технологий. На рынке высоких технологий уже реализованы технические устройства, реализующие протоколы квантовой криптографии (квантового распределения ключа) в реальных коммуникациях.
Например, 21 апреля 2004 года в Австралии осуществлена первая коммерческая транзакция с применением квантовой криптографии. Профессор Антон Кажлингер (Anton Cajlinger) из Венского Университета перевел три тысячи евро полученных от мэра из ратуши в ближайшее отделение банка по оптоволокну с кодом, упакованным в квантовое состояние фотона. Это наиболее защищенный из всех возможных способов передачи информации [11].
В квантовой криптографии, как и в криптографии в общем смысле стоят задачи разработки алгоритмов обработки информации, обеспечивающих уменьшение утечки информации, т. е. «средней взаимной информации между отправителем и получателем сообщения, которая доступна подслушивающему» [12, 13].
Цифровые подписи являются уязвимыми для атак с помощью квантовых компьютеров, то же самое, хотя и в меньшей степени, относится к криптографическим хеш-функциям. Российские разработчики, Е.О. Киктенко, Н.О. Пожар, М.Н. Ануфриев, А.С. Трушечкин, Р.Ю. Юнусов, Ю.В. Курочкин, А.И. Львовский, А.К. Федоров, предложили возможное решение данной проблемы и экспериментально реализовали квантовобезопасную платформу, которая использует распределение квантовых ключей по городской волоконной сети для защищенной аутентификации [14]. Эти результаты касаются актуальных вопросов реализуемости квантовозащищенных систем для использования коммерческими и государственными информационно-коммуникационными системами.
Так, например, в системе высшего образования с учетом развития информационно-коммуникационных систем изменилась образовательная среда и в случае раскрытия данных становятся уязвимыми данные всех участников процесса, и преподавателей и студентов [15]. Комплексные решения по обеспечению информационной безопасности с учетом онлайн-угроз и методов социальной инженерии становятся насущной необходимостью [16].
«Технологический прогресс невозможно удержать и тем более остановить» [17]. Впечатляющий прорыв в области квантовых вычислений имеет большое значение и перспективы и связан с теоретической физикой, техникой оптического эксперимента, математическими методами позволяющими рассматривать свет как носитель информации, и атомы как удобные ячейки для её хранения и обработки. При этом надежность систем квантовой криптографии определяется основополагающим принципом квантовой механики: всякое измерение, выполненное над квантовой системой, меняет ее состояние и тем самым обнаруживается.
Библиографическая ссылка
Морковкин Е.А. КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ КАК СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 5. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=18779 (дата обращения: 19.04.2024).