МОСКВА, 12 лип - РІА Новини.Фізики із Шанхаю заявили про успішне проведення першої "космічної" квантової телепортації, переправивши інформацію про стан частинки з квантового супутника "Мо-цзи" на станцію спостереження на Землі, йдеться у статті, розміщеній в електронній бібліотеці arXiv.org

"Ми заявляємо про першу квантову телепортацію одиночних фотонів з обсерваторії на Землі на супутник на навколоземній орбіті, віддалений від неї на 1400 кілометрів. Успішна реалізація цього завдання відкриває дорогу до наддальньої телепортації і є першим кроком на шляху до створення квантового інтернету", -Вей Пань (Jian-Wei Pan) з університету Шанхаю та його колеги.

Феномен квантової заплутаності є основою сучасних квантових технологій. Це явище, зокрема, відіграє важливу роль у системах захищеного квантового зв'язку - такі системи повністю виключають можливість непомітного "прослуховування" через те, що закони квантової механіки забороняють "клонування" стану частинок світла. В даний час системи квантового зв'язку активно розробляються в Європі, Китаї, США.

За останні роки вчені з Росії та зарубіжних країн створили десятки систем квантового зв'язку, вузли яких можуть обмінюватись даними на досить великих відстанях, що становлять близько 200-300 кілометрів. Усі спроби розширити ці мережі до міжнародного та міжконтинентального рівня зіткнулися з непереборними труднощами, пов'язаними з тим, як світло згасає під час руху через оптоволокно.

З цієї причини багато команд вчених замислилися про переведення систем квантового зв'язку на "космічний" рівень, обмінюючись інформацією через супутник, що дозволяє відновлювати чи посилювати "незримий зв'язок" між заплутаними фотонами. Перший космічний апарат такого роду вже є на орбіті - ним є китайський супутник "Мо-цзи", виведений у космос у серпні 2016 року.

Цього тижня Пань та його колеги розповіли про перші успішні експерименти з квантової телепортації, проведені на борту "Мо-Дзи" і на станції зв'язку в містечку Нгарі на Тибеті, побудованій на висоті чотири кілометри для обміну інформацією з першим квантовим супутником.

Квантова телепортація була вперше описана теоретично в 1993 році групою фізиків під керівництвом Чарльза Бенетта. За їхньою ідеєю, атоми або фотони можуть обмінюватися інформацією на будь-якій відстані в тому випадку, якщо вони були "заплутані" на квантовому рівні.

Для здійснення цього процесу необхідний звичайний канал зв'язку, без якого ми не можемо прочитати стан заплутаних частинок, через що таку "телепортацію" не можна використовувати для передачі на астрономічні відстані. Незважаючи на таке обмеження, квантова телепортація надзвичайно цікава фізикам та інженерам з тієї причини, що її можна використовувати для передачі даних у квантових комп'ютерах та для шифрації даних.

Керуючись цією ідеєю, вчені заплутали дві пари фотонів у лабораторії в Нгарі і передали одну з чотирьох "плутаних" частинок на борт "Мо-Дзи" за допомогою лазера. Супутник одночасно виміряв стан і цієї частки, і іншого фотона, який у цей момент був на його борту, внаслідок чого інформація про властивості другої частки миттєво "телепортувалася" на Землю, змінивши те, як поводився "наземний" фотон, сплутаний з першою часткою.

Загалом, як розповідають китайські фізики, їм вдалося "заплутати" та телепортувати понад 900 фотонів, що підтвердило коректність роботи "Мо-Дзи" та довело, що двостороння "орбітальна" квантова телепортація в принципі можлива. Подібним чином, як зазначають вчені, можна передавати не лише фотони, а й кубити, осередки пам'яті квантового комп'ютера та інші об'єкти квантового світу.

Численні блокбастери останніх років, які здебільшого є екранізаціями коміксів, міцно впровадили у свідомість сучасної людини образ супергероя. Супергерой це найчастіше звичайна на вигляд людина, яка має надприродні здібності і нерідко змушена через це вести потайливий спосіб життя. Ці фільми настільки популярні, барвисті та численні, що для деяких людей поняття «супергерой» стає звичайним. Думка про реальність таких героїв відвідує людей все частіше – тому з'являються і користуються популярністю такі сюжети, як телепортація в Китаї.

Супермен на проїжджій частині

Восени 2012 року одним із основних хітів Всесвітнього павутиння став відеоролик, на якому була нібито зафіксована не просто телепортація людини, а дуже драматична телепортація одразу двох людей. Розміщений на відеохостингу YouTube ролик має тривалість близько хвилини і виглядає як зйомка камери вуличного спостереження. Час подій, судячи з хронометражу у лівому верхньому кутку – одразу після опівночі 9 травня 2012 року. Місце подій – одне з міських чи заміських перехресть Китаю. Головних дійових осіб троє. Перший – водій вантажівки з фургоном білого кольору, другий – велосипедист. Третій – таємничий незнайомець, обличчя якого не видно через широкий каптур. За статурою цей явно молодий чоловік може бути як юнаком, так і дівчиною.

Події на відео розгортаються в такий спосіб. Після декількох автомобілів на задньому плані з'являється вантажівка, що поступово набирає швидкість. У міру його наближення із затемненої області ліворуч по бічній дорозі з'являється велосипедист. Траєкторії та швидкості руху вантажівки та велосипедиста такі, що зіткнення здається неминучим, а наслідки для водія легшого транспортного засобу обіцяють бути фатальними. Але тут у правій затемненій області екрана відзначається деякий рух: швидкий розмитий силует наближається до місця зіткнення, що намічається. В останній момент силует окреслюється чіткіше і глядач бачить людину, яку вистачає велосипедиста практично під колесами машини. Після цього незнайомець, велосипедист і велосипед буквально зникають, а вантажівка починає гальмування. Автомобіль ще повністю не зупинився, як у дальній правій частині екрану, саме на освітленій частині дороги, з'являється група з двох людей та велосипеда. Незнайомець відпускає врятованого, при цьому його руки яскраво світяться. Він накидає на голову капюшон і спішно йде з дороги. У цей час явно вражений велосипедист без сил сідає на бордюр, до нього прямує водій вантажівки, що вийшов, і не виявив нічого на проїжджій частині.

Обдурити легко тих, хто сам обманюватися радий

Телепортація людини в Китаї, тим більше зафіксована на відео та ще й за таких кінематографічних обставин, дуже швидко стала відома і набрала мільйони переглядів на відеохостингу. Відразу ж почалися жваві дискусії з приводу того, чи реальним є відео чи це розіграш деяких фахівців із візуальних спецефектів. Цікаво, що прихильників реальності телепортації, що спостерігається на зйомках, виявилося досить багато. Тут же виникли навіть своєрідні «фанфіки» - почали вигадувати сюжети, покликані створити історію супергероя-дівчини (жіноча стать персонажа здалася більшості аудиторії більш інтригуючим і вражаючим), розкрити причини, що спонукають її приховувати свої надздібності тощо.

Але й критиків-скептиків знайшлося чимало і вони розклали відеоролик буквально по кісточках. Було наведено чимало раціональних аргументів на користь того, що сюжет є постановковим, несе явні сліди використання програмного забезпечення перетворення відеоматеріалу, а також має явні логічні огріхи. Насамперед, насторожило саме виникнення потенційно смертельно небезпечної ДТП: проти звичаю, вантажівка при наближенні до перехрестя стала не знижувати, а набирати швидкість, начебто створюючи умови для драматичної сцени. Також підозріла підозра велосипедиста: він напрочуд спокійно їхав прямо під колеса, не змінюючи швидкості і навіть не повернувши голови при перетині головної дороги, де він має поступатися пріоритетом руху. Не все гаразд і з водієм вантажівки – на кадрах чітко видно, що людина, яка вибралася з кабіни, одягнена в яскраво-білу футболку або сорочку. Але в досить добре освітленій кабіні під час гальмування не видно не лише нічого світлого, там взагалі не спостерігається водій.

Що стосується таємничої людини зі здатністю телепортуватися самій і телепортувати інших, то вона теж не така «чиста». По-перше, очевидні сліди відеомонтажу має його «енергетичний слід» під час надшвидкого ривка на дорогу. Його силует у момент хапання велосипедиста дуже виразний, тоді як розмитий силует його руху, як і раніше, зберігається. По-друге, дуже дивним виглядає вибір кінцевої точки телепортації. Закони геометрії, фізики і просто логіки свідчать, що найпростішим і природнішим було б переміщення врятованого велосипедиста по ходу руху незнайомця - тобто в лівий бік екрану, геть з дороги. Але телепортація відбувається зі зворотним вектором, праворуч – виходить, що незнайомець під час телепортації зробив таку петлю, що не має пояснень. По-друге, закрадається невиразний сумнів, що поява двох людей, що телепортуються, і велосипеда в правій частині дороги пояснюється, так би мовити, сценічною необхідністю. Саме ця частина є найбільш освітленою у всій сцені, так що для досягнення найбільшого драматизму, для спостереження шокового стану врятованого, рук рятівника, що світяться, і його видалення в темряву вона підходить найкраще. Сукупність всіх цих спостережень і міркувань призводить до висновку, що телепортація є досить креативною, але все-таки містифікацією.

Олександр Бабицький

МОСКВА, 12 лип - РІА Новини.Фізики із Шанхаю заявили про успішне проведення першої "космічної" квантової телепортації, переправивши інформацію про стан частинки з квантового супутника "Мо-цзи" на станцію спостереження на Землі, йдеться у статті, розміщеній в електронній бібліотеці arXiv.org

"Ми заявляємо про першу квантову телепортацію одиночних фотонів з обсерваторії на Землі на супутник на навколоземній орбіті, віддалений від неї на 1400 кілометрів. Успішна реалізація цього завдання відкриває дорогу до наддальньої телепортації і є першим кроком на шляху до створення квантового інтернету", -Вей Пань (Jian-Wei Pan) з університету Шанхаю та його колеги.

Феномен квантової заплутаності є основою сучасних квантових технологій. Це явище, зокрема, відіграє важливу роль у системах захищеного квантового зв'язку - такі системи повністю виключають можливість непомітного "прослуховування" через те, що закони квантової механіки забороняють "клонування" стану частинок світла. В даний час системи квантового зв'язку активно розробляються в Європі, Китаї, США.

За останні роки вчені з Росії та зарубіжних країн створили десятки систем квантового зв'язку, вузли яких можуть обмінюватись даними на досить великих відстанях, що становлять близько 200-300 кілометрів. Усі спроби розширити ці мережі до міжнародного та міжконтинентального рівня зіткнулися з непереборними труднощами, пов'язаними з тим, як світло згасає під час руху через оптоволокно.

З цієї причини багато команд вчених замислилися про переведення систем квантового зв'язку на "космічний" рівень, обмінюючись інформацією через супутник, що дозволяє відновлювати чи посилювати "незримий зв'язок" між заплутаними фотонами. Перший космічний апарат такого роду вже є на орбіті - ним є китайський супутник "Мо-цзи", виведений у космос у серпні 2016 року.

Цього тижня Пань та його колеги розповіли про перші успішні експерименти з квантової телепортації, проведені на борту "Мо-Дзи" і на станції зв'язку в містечку Нгарі на Тибеті, побудованій на висоті чотири кілометри для обміну інформацією з першим квантовим супутником.

Квантова телепортація була вперше описана теоретично в 1993 році групою фізиків під керівництвом Чарльза Бенетта. За їхньою ідеєю, атоми або фотони можуть обмінюватися інформацією на будь-якій відстані в тому випадку, якщо вони були "заплутані" на квантовому рівні.

Для здійснення цього процесу необхідний звичайний канал зв'язку, без якого ми не можемо прочитати стан заплутаних частинок, через що таку "телепортацію" не можна використовувати для передачі на астрономічні відстані. Незважаючи на таке обмеження, квантова телепортація надзвичайно цікава фізикам та інженерам з тієї причини, що її можна використовувати для передачі даних у квантових комп'ютерах та для шифрації даних.

Керуючись цією ідеєю, вчені заплутали дві пари фотонів у лабораторії в Нгарі і передали одну з чотирьох "плутаних" частинок на борт "Мо-Дзи" за допомогою лазера. Супутник одночасно виміряв стан і цієї частки, і іншого фотона, який у цей момент був на його борту, внаслідок чого інформація про властивості другої частки миттєво "телепортувалася" на Землю, змінивши те, як поводився "наземний" фотон, сплутаний з першою часткою.

Загалом, як розповідають китайські фізики, їм вдалося "заплутати" та телепортувати понад 900 фотонів, що підтвердило коректність роботи "Мо-Дзи" та довело, що двостороння "орбітальна" квантова телепортація в принципі можлива. Подібним чином, як зазначають вчені, можна передавати не лише фотони, а й кубити, осередки пам'яті квантового комп'ютера та інші об'єкти квантового світу.

Багато років тому Альберт Ейнштейн назвав квантову заплутаність «жахливою дією на відстані». Це справді контрінтуїтивна концепція, яка на перший погляд суперечить здоровому глузду. Два об'єкти можуть бути один від одного на великій відстані, але вони зберігають «зв'язок» один з одним через свої квантові стани. Зруйнувавши стан одного об'єкта (вимірявши його), ми тим самим дізнаємося стан заплутаного з ним об'єкта, на якій відстані той не знаходився. Тобто квантовий стан першого об'єкта в момент вимірювання переходить до другого об'єкта, це образно називають квантовою телепортацією.

Наразі група китайських фізиків уперше у світі здійснила квантову телепортацію об'єкта із Землі на орбіту. Результати експерименту з «жахливою дією на відстані» опубліковані 4 липня 2017 на сайті препринтів arXiv.org (arXiv:1707.00934).

Спеціально для цього експерименту китайці минулого року вивели на сонячно-синхронну орбіту науковий супутник Micius. Щодня він проходить над однією і тією ж точкою Землі в той самий час, що дає можливість ретельно підготувати експеримент і провести його в будь-який час у незмінних умовах, а також повторити при необхідності в тих самих умовах. Супутник Micius оснащений високочутливим фотонним детектором та обладнанням для визначення квантового стану окремих фотонів, відправлених із Землі.

Під час експерименту квантова телепортація здійснювалася з різним ступенем надійності на відстані 500-1400 км від передавача до супутника, що є новим світовим рекордом за дальністю квантової телепортації. Раніше такі експерименти проводилися тільки на Землі, а максимальна відстань для перевірки квантової заплутаності складала близько 100 км. У вакуумі передача фотонів відбувається більш надійно, вони реагують менше з навколишніми об'єктами і краще зберігають заплутаність.


Станція Ngari з передавачем для експерименту була побудована в Тибетських горах на висоті більше 4000 м. Станція генерувала заплутані пари фотонів зі швидкістю 4000 в секунду. Половина з них вирушала на орбітальну станцію і там перевірялося, чи збереглася квантова сплутаність після передачі. Друга половина фотонів залишалася Землі.

Для покращення якості передачі дослідники розробили ряд інноваційних технік та спеціальних приладів, у тому числі компактне надяскраве джерело мультифотонного заплутування, апаратуру для зменшення розбіжності променя, високошвидкісну та високоточну систему APT (acquiring, pointing, tracking).

Вимірювання показали, що частина фотонів після прибуття на супутник справді зберегла заплутаність зі своїми земними напарниками. Зокрема, за 32 дні передачі з кількох мільйонів відправлених фотонів заплутаними залишилися 911. Точність передачі становила 0,80±0,01, що помітно перевищує класичний ліміт (див. діаграму внизу).

Фотони з однаковими квантовими станами, з фізичної точки зору, є однаковими фотонами. Таким чином можна констатувати, що вчені вперше в історії провели телепортацію об'єкта з поверхні Землі на орбіту. Ну а в практичному сенсі це перший робочий аплінк з надійної передачі квантової інформації на великі відстані - із Землі на супутник. Автори вважають, що це важливий крок до створення квантового інтернету у глобальному масштабі.

Теоретично немає максимального обмеження на відстань для вимірювання заплутаності, тобто квантової телепортації. На практиці ж квантовий стан фотонів дуже крихкий і руйнується в результаті реакції з навколишнім середовищем, тому дуже важливо розробити технології надійної передачі заплутаних фотонів на великі відстані.

Квантова телепортація може знайти застосування у різних областях: «Телепортація великі відстані вважається фундаментальним елементом у протоколах, як-от великомасштабні квантові мережі і розподілені квантові обчислення, - пише група китайських вчених у рефераті до наукової статті. - Для створення „квантового інтернету” у глобальному масштабі потрібно значно розширити відстань для передачі інформації. Багатообіцяючою технологією для цього є використання супутникової платформи та супутникового каналу зв'язку, який може зручно зв'язати дві дистанційно віддалені точки на Землі з відносно невеликою втратою сигналу, тому що більшу частину шляху фотони проходять у вакуумі.

Іншим країнам тепер буде важко побити рекорд Китаю за дальністю квантової телепортації, бо ні Євросоюз, ні США не планували запускати супутники з фотодетекторами спеціально для такого експерименту в космосі, а зберегти квантову заплутаність на Землі в оптоволокні завдовжки 1400 км неймовірно важко.

Система для підготовки заплутаних станів і станів, що передаються до телепортації

Команда місії супутника квантового зв'язку QUESS (інакше "Мо-Цзи") повідомила про перші успіхи в телепортації фотонів із поверхні Землі на орбіту. У рамках місячного експерименту фізикам удалося здійснити телепортацію 911 фотонів на відстань від 500 до 1400 кілометрів. Це рекордні дистанції для квантової телепортації. Препринт дослідження опубліковано на сервері arXiv.org, коротко про нього повідомляє MIT Technology Review.

Квантова телепортація полягає у передачі квантового стану однієї частинки іншій частинці без безпосереднього перенесення першої частинки у просторі. Щоб телепортувати, наприклад, поляризацію фотона буде потрібно пара квантово заплутаних частинок. Одну із заплутаних частинок повинен тримати відправник квантового стану, а другу - одержувач. Потім відправник проводить вимірювання одночасно над частинкою, що передається, і однією з частинок заплутаної пари. Квантова заплутаність влаштована таким чином, що дві частинки поводяться як єдина система - заплутана частка у одержувача відчуває, що з її парою провели вимір та змінює свій стан. Знаючи результат вимірювання на стороні відправника (його можна відправити по звичайному каналу) можна отримати точну копію частки, що відправляється - відразу у одержувача. Докладніше про це можна прочитати в нашому матеріалі квантової абетки: «».

Раніше відстань для телепортації обмежувалася десятками кілометрів - у 2012 році австрійські фізики телепортували стани фотонів між Ла Палма та Тенеріфе (143 кілометри). Нова робота долає цей рубіж та покращує його в кілька разів.

Одне з головних завдань для телепортації – розподіл заплутаних фотонів між відправником (на Землі) та одержувачем (супутником) – вже було вирішено фізиками. Робота зі створення заплутаної пари, розділеної на 1200 кілометрів, була місяць тому в журналі Science. З використанням цих пар залишалося лише експериментально продемонструвати телепортацію.

Схема експерименту

Ji-Gang Ren та ін. / arXiv.org, 2017

У роботі автори використовували генератор заплутаних фотонів, встановлений не так на супутнику, але в Землі, в обсерваторії Нгарі (Тибет). Він створював понад чотири тисячі заплутаних пар на секунду, один фотон з кожної вирушав променем лазера до супутника, який пролітав над генератором щоночі. Спочатку вчені показали, що квантова заплутаність зберігається між Землею та супутником, а потім провели телепортацію поляризації фотона. Насправді, для надійної перевірки телепортації вченим потрібно створювати не одну, а відразу дві заплутані пари фотонів.

Найбільші втрати пов'язані з турбулентністю і неоднорідністю атмосфери Землі. Ці ефекти призводять до розширення пучка заплутаних фотонів та їх розсіювання – а отже менше часток долітає до супутника.

Усього вдалося успішно телепортувати 911 частинок - а за час всього експерименту було підготовлено та передано мільйони фотонних пар. Автори зазначають, що точність телепортації сягає 80 відсотків, а втрати становлять від 41 до 52 децибелів (долітає один фотон зі 100 тисяч). Якщо передавати аналогічний сигнал по 1200-кілометровому оптоволокну з рівнем втрат 0,2 децибела на кілометр, то на передачу хоча б одного фотона піде час у 20 разів більший, ніж життя Всесвіту.

Квантова телепортація - одне з найважливіших методик передачі у квантової телекомунікації. Вона необхідна для розробки глобального «квантового інтернету» з ідеально захищеними каналами зв'язку (на рівні фізичних законів, що забороняють клонувати квантові стани). Минулого року протоколи квантової телепортації фізики на міських оптоволоконних лініях.

Володимир Корольов