МОСКВА, 12 июл - РИА Новости. Физики из Шанхая заявили об успешном проведении первой "космической" квантовой телепортации, переправив информацию о состоянии частицы с квантового спутника "Мо-цзы" на станцию слежения на Земле, говорится в статье, размещенной в электронной библиотеке arXiv.org
"Мы заявляем о первой квантовой телепортации одиночных фотонов с обсерватории на Земли на спутник на околоземной орбите, удаленный от нее на 1400 километров. Успешная реализация этой задачи открывает дорогу к сверхдальней телепортации и является первым шагом на пути к созданию квантового интернета", — пишут Цзянь-Вэй Пань (Jian-Wei Pan) из университета Шанхая и его коллеги.
Феномен квантовой запутанности является основой современных квантовых технологий. Это явление, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи - такие системы полностью исключают возможность незаметной "прослушки" из-за того, что законы квантовой механики запрещают "клонирование" состояния частиц света. В настоящее время системы квантовой связи активно разрабатываются в Европе, в Китае, в США.
За последние годы ученые из России и зарубежных стран создали десятки систем квантовой связи, узлы которых могут обмениваться данными на достаточно больших расстояниях, составляющих около 200-300 километров. Все попытки расширить эти сети до международного и межконтинентального уровня столкнулись с непреодолимыми трудностями, связанными с тем, как свет угасает при движении через оптоволокно.
По этой причине многие команды ученых задумались о переводе систем квантовой связи на "космический" уровень, обмениваясь информацией через спутник, позволяющий восстанавливать или усиливать "незримую связь" между запутанными фотонами. Первый космический аппарат такого рода уже присутствует на орбите - им является китайский спутник "Мо-цзы", выведенный в космос в августе 2016 года.
На этой неделе Пань и его коллеги рассказали о первых успешных экспериментах по квантовой телепортации, проведенных на борту "Мо-Дзы" и на станции связи в городке Нгари на Тибете, построенной на высоте в четыре километра для обмена информацией с первым квантовым спутником.
Квантовая телепортация была впервые описана на теоретическом уровне в 1993 году группой физиков под руководством Чарльза Бенетта. По их идее, атомы или фотоны могут обмениваться информацией на каком угодно расстоянии в том случае, если они были "запутаны" на квантовом уровне.
Для осуществления этого процесса необходим обычный канал связи, без которого мы не можем прочитать состояние запутанных частиц, из-за чего такую "телепортацию" нельзя использовать для передачи данных на астрономические расстояния. Несмотря на такое ограничение, квантовая телепортация чрезвычайно интересна физикам и инженерам по той причине, что ее можно использовать для передачи данных в квантовых компьютерах и для шифрации данных.
Руководствуясь этой идеей, ученые запутали две пары фотонов в лаборатории в Нгари, и передали одну из четырех "спутанных" частиц на борт "Мо-Дзы" при помощи лазера. Спутник одновременно измерил состояние и этой частицы, и другого фотона, который в этот момент был на его борту, в результате чего информация о свойствах второй частицы мгновенно "телепортировалась" на Землю, поменяв то, как вел себя "наземный" фотон, спутанный с первой частицей.
В общей сложности, как рассказывают китайские физики, им удалось "запутать" и телепортировать свыше 900 фотонов, что подтвердило корректность работы "Мо-Дзы" и доказало, что двусторонняя "орбитальная" квантовая телепортация в принципе возможна. Подобным образом, как отмечают ученые, можно передавать не только фотоны, но и кубиты, ячейки памяти квантового компьютера, и другие объекты квантового мира.
Провела спутниковый эксперимент по передаче квантовых состояний между парами запутанных фотонов (так называемая квантовая телепортация) на рекордное расстояние — более 1200 км.
Явление (или спутанности) возникает при взаимозависимости (коррелированности) состояний двух или большего числа частиц, которые можно разнести на сколь угодно далекие расстояния, но при этом они продолжают «чувствовать» друг друга. Измерение параметра одной частицы приводит к моментальному разрушению запутанного состояния другой, что сложно представить без понимания принципов квантовой механики, тем более что частицы (это было специально показано в экспериментах по нарушению так называемых неравенств Белла) не обладают никакими скрытыми параметрами, в которых бы сохранялась информация о состоянии «компаньона», и при этом мгновенное изменение состояния не приводит к нарушению принципа причинности и не позволяет передавать таким образом полезную информацию.
Для передачи реальной информации дополнительно необходимо участие частиц, движущихся со скоростью, не превышающей световую. В качестве запутанных частиц могут выступать, например, фотоны, имеющие общего прародителя, а в качестве зависимого параметра используется, скажем, их спин.
К передаче состояний запутанных частиц на все более дальние расстояния и в самых экстремальных условиях проявляют интерес не только ученые, занимающиеся фундаментальной физикой, но и инженеры, проектирующие защищенные коммуникации. Считается, что явление запутанности частиц в перспективе предоставит нам в принципе невзламываемые каналы связи. «Защитой» в этом случае послужит неизбежное уведомление участников разговора о том, что в их связь вмешался некто третий.
Свидетельством этому станут нерушимые законы физики — необратимый коллапс волновой функции.
Прототипы устройств для осуществления подобной защищенной квантовой связи уже созданы, однако возникают и идеи по компрометации работы всех этих «абсолютно защищенных каналов», например путем обратимых слабых квантовых измерений, поэтому до сих пор неясно, сможет ли квантовая криптография выйти из стадии испытания прототипов, не окажутся ли все разработки заранее обреченными и непригодными для практического применения.
Еще один момент: передача запутанных состояний осуществлялась до сих пор лишь на расстояния, не превышающие 100 км, из-за потерь фотонов в оптоволокне или в воздухе, поскольку вероятность того, что хотя бы часть фотонов доберется до детектора, становится исчезающе малой. Время от времени появляются сообщения об очередном достижении на этом пути, но охватить подобной связью весь земной шар пока не представляется возможным.
Так, в начале этого месяца канадские физики объявили об успешных попытках связаться по защищенному квантовому каналу с самолетом, но он находился лишь в 3-10 км от передатчика.
Одним из способов кардинального улучшения распространения сигнала признан так называемый протокол квантовых повторителей, но и его практическая ценность остается под вопросом из-за необходимости решения целого ряда сложных технических моментов.
Другой подход как раз и заключается в использовании спутниковых технологий, поскольку спутник может оставаться в прямой видимости одновременно для разных весьма отдаленных мест на Земле. Основным преимуществом такого подхода может быть то, что большая часть пути прохождения фотонов окажется практически в вакууме с почти нулевым поглощением и исключением декогеренции (нарушение когерентности, обусловленное взаимодействием частиц с окружающей средой).
Чтобы продемонстрировать целесообразность спутниковых экспериментов, китайские специалисты проводили предварительные наземные испытания, которые продемонстрировали успешное двунаправленное распространение запутанных пар фотонов через открытую среду на расстояния 600 м, 13 и 102 км с эффективной потерей канала 80 дБ. Были также проведены эксперименты по передаче квантовых состояний на движущихся платформах в условиях высоких потерь и турбулентности.
После подробных технико-экономических обоснований при участии австрийских ученых был разработан спутник стоимостью $100 млн, запущенный 16 августа 2016 года с космодрома Цзюцюань в пустыне Гоби с помощью ракеты-носителя «Чанчжэн-2D» на орбиту высотой 500 км.
Спутник получил наименование «Мо-цзы» в честь древнекитайского философа V века до н.э., основателя моизма (учение о всеобщей любви и государственном консеквенциализме). На протяжении нескольких столетий в Китае моизм успешно конкурировал с конфуцианством, пока последний не был принят в качестве государственной идеологии.
Поддержку миссии «Мо-цзы» обеспечивают три наземные станции: в Дэлинхе (провинция Цинхай), Наньшань в Урумчи (Синьцзян) и обсерватория GaoMeiGu (GMG) в Лицзяне (провинция Юньнань). Расстояние между Дэлинхе и Лицзянем составляет 1203 км. Расстояние между орбитальным спутником и этими наземными станциями колеблется в пределах 500-2000 км.
Из-за того что запутанные фотоны не могут быть просто «усилены», как классические сигналы, необходимо было разработать новые методы для уменьшения затухания в каналах передачи между Землей и спутниками. Чтобы добиться нужной эффективности связи, потребовалось достичь одновременно и минимальной расходимости пучков, и высокоскоростного и высокоточного наведения на детекторы.
Разработав ультраяркий космический источник двухфотонных запутываний и высокоточную технологию APT (acquiring, pointing, and tracking), группа установила «квантовое сцепление» между парами фотонов, разделенных 1203 км, ученые провели так называемое тестирование Белла для проверки нарушений локальности (возможность мгновенно повлиять на состояние удаленной частицы) и получили результат со статистической значимостью четыре сигма (среднеквадратических отклонения).
Схема источника фотонов на спутнике. Толщина кристалла KTiOPO4 (PPKTP) составляет 15 мм. Пара внеосевых вогнутых зеркал фокусирует лазер накачки (PL) в центре кристалла PPKTP. На выходе интерферометра Саньяка используются два дихроматических зеркала (DM) и фильтры для отделения сигнальных фотонов от лазера накачки. Два дополнительных зеркала (PI), дистанционно управляемые с Земли, используются для точной регулировки направления луча для оптимальной эффективности сбора пучка. QWP - четвертьволновая фазовая секция; HWP - полуволновая фазовая секция; PBS - поляризационный светоделитель.
По сравнению с предыдущими методами с использованием самых распространенных коммерческих образцов телекоммуникационного оптоволокна эффективность спутникового соединения оказалась на много порядков выше, что, по мнению авторов исследования, открывает ему путь к практическим применениям, ранее недоступным на Земле.
Система для подготовки запутанных состояний и передаваемых состояний к телепортации
Команда миссии спутника квантовой связи QUESS (иначе, «Мо-Цзы») сообщила о первых успехах в телепортации фотонов с поверхности Земли на орбиту. В рамках месячного эксперимента физикам удалось осуществить телепортацию 911 фотонов на расстояние от 500 до 1400 километров. Это рекордные дистанции для квантовой телепортации. Препринт исследования опубликован на сервере arXiv.org, кратко о нем сообщает MIT Technology Review.
Квантовая телепортация заключается в передаче квантового состояния одной частицы другой частице без непосредственного переноса первой частицы в пространстве. Чтобы телепортировать, например, поляризацию фотона потребуется пара квантово запутанных частиц. Одну из запутанных частиц должен держать у себя отправитель квантового состояния, а вторую - получатель. Затем отправитель производит измерение одновременно над передаваемой частицей и одной из частиц запутанной пары. Квантовая запутанность устроена таким образом, что две частицы ведут себя как единая система - запутанная частица у получателя чувствует, что с ее парой провели измерение и изменяет свое состояние. Зная результат измерения на стороне отправителя (его можно отправить по обычному каналу) можно получить точную копию отправляемой частицы - сразу у получателя. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале квантовой азбуки: « ».
Ранее расстояние для телепортации ограничивалось десятками километров - в 2012 году австрийские физики телепортировали состояния фотонов между Ла Палма и Тенерифе (143 километра). Новая работа преодолевает этот рубеж и улучшает его в несколько раз.
Одна из главных задач для телепортации - распределение запутанных фотонов между отправителем (на Земле) и получателем (спутником) - уже была решена физиками. Работа по созданию запутанной пары, разделенной на 1200 километров была месяц назад в журнале Science . С использованием этих пар оставалось только экспериментально продемонстрировать саму телепортацию.
Схема эксперимента
Ji-Gang Ren et al. / arXiv.org, 2017
В новой работе авторы использовали генератор запутанных фотонов, установленный не на спутнике, а на Земле, в обсерватории Нгари (Тибет). Он создавал свыше четырех тысяч запутанных пар в секунду, один фотон из каждой отправлялся лучом лазера к спутнику, который пролетал над генератором каждую полночь. Сначала ученые показали, что квантовая запутанность сохраняется между Землей и спутником, а затем провели телепортацию поляризации фотона. В действительности, для надежной проверки телепортации ученым требовалось создавать не одну, а сразу две запутанных пары фотонов.
Самые большие потери были связаны с турбулентностью и неоднородностью атмосферы Земли. Эти эффекты приводят к уширению пучка запутанных фотонов и их рассеянию - а значит меньше частиц долетает до спутника.
Всего удалось успешно телепортировать 911 частиц - а за время всего эксперимента были подготовлены и переданы миллионы фотонных пар. Авторы отмечают, что точность телепортации достигает 80 процентов, а потери составляют от 41 до 52 децибел (долетает один фотон из 100 тысяч). Если передавать аналогичный сигнал по 1200-километровому оптоволокну с уровнем потерь 0,2 децибела на километр, то на передачу хотя бы одного фотона уйдет время в 20 раз большее, чем время жизни Вселенной.
Квантовая телепортация - одна из важных методик передачи данных в квантовой телекоммуникации. Она необходима при разработке глобального «квантового интернета» с идеально защищенными каналами связи (на уровне физических законов, запрещающих клонировать квантовые состояния). В прошлом году протоколы квантовой телепортации физики на городских оптоволоконных линиях.
Владимир Королёв
Многочисленные блокбастеры последних лет, в большинстве своём являющиеся экранизациями комиксов, прочно внедрили в сознание современного человека образ супергероя. Супергерой это чаще всего обычный с виду человек, который обладает сверхъестественными способностями и нередко вынужденный из-за этого вести скрытный образ жизни. Эти фильмы настолько популярны, красочны и многочисленны, что для некоторых людей понятие «супергерой» становится обыденным. Мысль о реальности таких героев посещает людей всё чаще – поэтому появляются и пользуются большой популярностью такие сюжеты, как телепортация в Китае.
Супермен на проезжей части
Осенью 2012 года одним из основных хитов Всемирной паутины стал видеоролик, на котором была якобы зафиксирована не просто телепортация 
человека, а весьма драматическая телепортация сразу двух человек. Помещённый на видеохостинге YouTube ролик имеет длительность около минуты и выглядит как съёмки камеры уличного наблюдения. Время событий, судя по хронометражу в левом верхнем углу – сразу после полуночи 9 мая 2012 года. Место событий – один из городских или загородных перекрёстков Китая. Главных действующих лиц трое. Первый – водитель грузовика с фургоном белого цвета, второй – велосипедист. Третий – таинственный незнакомец, лица которого не видно из-за широкого капюшона. По телосложению этот явно молодой человек может быть как юношей, так и девушкой.
События на видео разворачиваются следующим образом. После нескольких проехавших автомобилей на заднем плане появляется грузовик, постепенно набирающий скорость. По мере его приближения из затемнённой области слева по боковой дороге появляется велосипедист. Траектории и скорости движения грузовика и велосипедиста таковы, что столкновение кажется неизбежным, а последствия для водителя более лёгкого транспортного средства обещают быть фатальными. Но тут в правой затемнённой области экрана отмечается некое движение: стремительный размытый силуэт приближается к месту намечающегося столкновения. В последний момент силуэт очерчивается чётче и зритель видит человека, который хватает велосипедиста практически под самыми колёсами машины. После этого незнакомец, велосипедист и велосипед буквальным образом исчезают, а грузовик начинает торможение. Автомобиль ещё полностью не остановился, как в дальней правой части экрана, как раз на освещённой части дороги, появляется группа из двух человек и велосипеда. Незнакомец отпускает спасённого, при этом его руки ярко светятся. Он набрасывает на голову капюшон и спешно уходит с дороги. В это время явно потрясённый велосипедист без сил садится на бордюр, к нему направляется вышедший водитель грузовика, не обнаруживший ничего на проезжей части.
Обмануть легко тех, кто сам обманываться рад
Телепортация человека в Китае, тем более зафиксированная на видео и вдобавок при столь кинематографичных обстоятельствах, очень быстро стала известна и набрала миллионы просмотров на видеохостинге. Сразу же начались оживлённые дискуссии по поводу того, реальным ли является видео или это розыгрыш неких специалистов по визуальным спецэффектам. Любопытно, что сторонников реальности наблюдаемой на съёмках телепортации обнаружилось довольно много. Тут же возникли даже своеобразные «фанфики» - начали придумываться сюжеты, призванные создать историю супергероя-девушки (женский пол персонажа показался большинству аудитории более интригующим и впечатляющим), раскрыть причины, побуждающие её скрывать свои сверхспособности и тому подобное.
Но и критиков-скептиков нашлось немало и уж они разложили видеоролик буквально по косточкам. Было приведено немало рациональных аргументов в пользу того, что сюжет является постановочным, несёт явные следы использования программного обеспечения по преобразованию видеоматериала, а также имеет явные логические огрехи. Прежде всего, насторожило само возникновение потенциально смертельно опасного ДТП: против обыкновения, грузовик при приближении к перекрёстку стал не снижать, а набирать скорость, как будто создавая условия для драматической сцены. Также подозрительно подозрение велосипедиста: он удивительно спокойно ехал прямо под колёса, не меняя скорости и даже не повернув головы при пересечении главной дороги, где он должен уступать приоритет движения. Не всё в порядке и с водителем грузовика – на кадрах чётко видно, что выбравшийся из кабины человек одет в ярко-белую футболку или рубашку. Но в достаточно хорошо освещённой кабине во время торможения не видно не только ничего светлого, там вообще не наблюдается водителя.
Что касается таинственного человека со способностью телепортироваться самому и телепортировать других, то он тоже не так «чист». Во-первых, явные следы видеомонтажа имеет его «энергетический след» во время сверхбыстрого рывка на дорогу. Его силуэт в момент хватания велосипедиста очень отчётлив, в то время как размытый силуэт его движения по-прежнему сохраняется. Во-вторых, очень странным выглядит выбор конечной точки телепортации. Законы геометрии, физики и просто логики гласят, что самым простым и естественным было бы перемещение спасённого велосипедиста по ходу движения незнакомца – то есть в левую сторону экрана, прочь с дороги. Но телепортация происходит с обратным вектором, направо – получается, что незнакомец во время телепортации сделал этакую петлю, что не имеет объяснений. Во-вторых, закрадывается смутное сомнение, что появление телепортирующихся двух человек и велосипеда в правой части дороги объясняется, так сказать, сценической необходимостью. Именно эта часть является наиболее освещённой во всей сцене, так что для достижения наибольшего драматизма, для наблюдения шокового состояния спасенного, светящихся рук спасителя и его удаления в темноту она подходит лучше всего. Совокупность всех этих наблюдений и рассуждений приводит к выводу, что данная телепортация является довольно креативной, но всё-таки мистификацией.
Александр Бабицкий