Китайцы впервые в мире телепортировали фотоны с Земли на орбиту (1400 км). Китайские физики провели первую «орбитальную» квантовую телепортацию Квантовая телепортация китай

02.05.2024 -

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.

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.

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

Много лет назад Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». Это действительно контринтуитивная концепция, которая на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Два объекта могут находиться друг от друга на большом расстоянии, но они сохраняют «связь» друг с другом через свои квантовые состояния. Разрушив состояние одного объекта (измерив его), мы тем самым узнаём состояние запутанного с ним объекта, на каком бы расстоянии тот ни находился. То есть квантовое состояние первого объекта в момент измерения как бы переходит ко второму объекту, это образно называют квантовой телепортацией.

Сейчас группа китайских физиков впервые в мире осуществила квантовую телепортацию объекта с Земли на орбиту. Результаты эксперимента с «жутким действием на расстоянии» опубликованы 4 июля 2017 года на сайте препринтов arXiv.org (arXiv:1707.00934).

Специально для этого эксперимента китайцы в прошлом году вывели на солнечно-синхронную орбиту научный спутник Micius. Каждый день он проходит над одной и той же точкой Земли в одно и то же время, что даёт возможность тщательно подготовить эксперимент и провести его в любое время в неизменных условиях, а также повторить при необходимости в тех же условиях. Cпутник Micius оснащён высокочувствительным фотонным детектором и оборудованием для определения квантового состояния отдельных фотонов, отправленных с Земли.

Во время эксперимента квантовая телепортация осуществлялась с разной степенью надёжности (см. диаграмму) на расстоянии 500-1400 км от передатчика до спутника, что является новым мировым рекордом по дальности квантовой телепортации. Раньше такие эксперименты проводились только на Земле, а максимальное расстояние для проверки квантовой запутанности составляло около 100 км. В вакууме передача фотонов происходит более надёжно, они меньше реагируют с окружающими объектами и лучше сохраняют запутанность.

Станция Ngari с передатчиком для эксперимента была построена в горах Тибета на высоте более 4000 м. Станция генерировала запутанные пары фотонов со скоростью 4000 в секунду. Половина из них отправлялась на орбитальную станцию, и там проверялось, сохранилась ли квантовая спутанность после передачи. Вторая половина фотонов оставалась на Земле.

Для улучшения качества передачи исследователи разработали ряд инновационных техник и специальных приборов, в том числе компактный сверхъяркий источник мультифотонного запутывания, аппаратуру для уменьшения расхождения луча, высокоскоростную и высокоточную систему APT (acquiring, pointing, tracking).

Измерения показали, что часть фотонов по прибытии на спутник действительно сохранили запутанность со своими земными «напарниками». В частности, за 32 дня передачи из нескольких миллионов отправленных фотонов запутанными остались 911. Точность передачи составила 0,80±0,01, что заметно превышает классический лимит (см. диаграмму внизу).

Фотоны с одинаковыми квантовыми состояниями с физической точки зрения являются одинаковыми фотонами. Таким образом, можно констатировать, что учёные впервые в истории провели телепортацию объекта с поверхности Земли на орбиту. Ну а в практическом смысле это первый рабочий аплинк по надёжной передаче квантовой информации на очень большие расстояния - с Земли на спутник. Авторы считают, что это важный шаг к созданию квантового интернета в глобальном масштабе.

Теоретически не существует максимального ограничения на расстояние для измерения запутанности, то есть квантовой телепортации. На практике же квантовое состояние фотонов очень хрупкое и разрушается в результате реакции с окружающей средой, поэтому очень важно разработать технологии надёжной передачи запутанных фотонов на большие расстояния.

Квантовая телепортация может найти применение в разных областях: «Телепортация на большие расстояния считается фундаментальным элементом в протоколах, таких как крупномасштабные квантовые сети и распределённые квантовые вычисления, - пишет группа китайских учёных в реферате к научной статье. - Для создания „квантового интернета” в глобальном масштабе требуется значительно расширить расстояние для передачи информации. Многообещающей технологией для этого является использование спутниковой платформы и спутникового канала связи, который может удобно связать две дистанционно удалённые точки на Земле с относительно небольшой потерей сигнала, потому что большую часть пути фотоны проходят в вакууме.

Другим странам теперь будет трудно побить рекорд Китая по дальности квантовой телепортации, потому что ни Евросоюз, ни США не планировали запускать спутники с фотодетекторами специально для такого эксперимента в космосе, а сохранить квантовую запутанность на Земле в оптоволокне длиной 1400 км невероятно трудно.

Свежие записи