Napriek tomu, že je tento jav popísaný teóriami kvantovej mechaniky a dokázaný experimentálne, mnohí vedci sú voči nemu skeptickí. Toto sa rozdelilo vedecký svet došlo od sporu medzi Albertom Einsteinom a Nielsom Bohrom. Einstein povedal, že kvantové zapletenie je príliš absurdná myšlienka a nemá nič spoločné s realitou a pozorovaniami. Nazval to „interakcia duchov“ ( strašidelná akcia), keďže táto teória bola v rozpore s jeho tvrdením o neodolateľnosti rýchlosti svetla.
Vedci z Izraela dnes experimentálne dokázali, že je možné vytvoriť pár fotónov, ktoré majú kvantové spojenie, aj keď v rovnakom čase neexistujú. Teda okrem toho úžasný faktže takéto spojenie funguje aj na veľkú vzdialenosť (najmenej 13,8 miliardy svetelných rokov), pridáva sa aj časový odstup. Ukazuje sa, že vzťah medzi dvoma časticami je taký silný, že môžu byť oddelené časom aj priestorom a kvantové spojenie bude stále fungovať.
Kvantum svetla, tiež známe ako fotón (čo je častica aj vlna), môže byť polarizované a v skutočnosti môže nadobudnúť dva stavy: vertikálnu a horizontálnu polarizáciu. Zapletenie nastáva, keď existujú párové fotóny, z ktorých každý môže byť horizontálne alebo vertikálne polarizovaný. Ich kvantové spojenie sa prejavuje nasledovne: ak zmeriate stav jedného fotónu, môžete s istotou povedať, že stav jeho páru bude opačný. To znamená, že ak je častica, ktorej vlastnosti vieme zistiť, vertikálne polarizovaná, potom bude horizontálne polarizovaná párová častica umiestnená aspoň na druhom konci Vesmíru a naopak.
Špecialista na kvantovú optiku Eli Megidish a jeho kolega Hagai Eisenberg z Hebrejskej univerzity v Jeruzaleme vytvorili kvantové spojenie medzi dvoma fotónmi, ktoré v rovnakom čase neexistovalo.
Začali so schémou známou ako výmena zapletenia ( zámena zapletenia). Aby to urobili, nasmerovali laserový lúč dvakrát na špeciálny kryštál, aby vytvorili dva páry fotónov. Výsledné častice boli označené číslami: pár 1 a 2, pár 3 a 4. Spočiatku častice 1 a 4 nemali kvantové spojenie, ale malo sa objaviť hneď, ako vedci vytvorili prepletenie medzi fotónmi 2 a 3.
„Projekčné meranie“ vlastností jednej z častíc spôsobuje výskyt jej určitého stavu, ako aj zmenu stavu párovej častice na opačný, ako v prípade vertikálnej a horizontálnej polarizácie. Aj keď teda fotóny 2 a 3 neboli pôvodne zapletené, fyzici prostredníctvom meraní dali jednému z nich jeden z dvoch stavov a jeho „partnerovi“ opak.
Akékoľvek meranie spôsobí zapletenie fotónov, aj keď zničí jeden z nich. Takže, ak vezmeme do úvahy iba prípad, v ktorom sú častice 2 a 3 v rovnakom stave, potom sa po meraniach automaticky ukáže, že fotóny 1 a 4 sú zapletené. Pre lepšie pochopenie môžete uviesť jednoduchý príklad: ak máte reťaz so štyrmi článkami, potom keď sa spoja jeho vonkajšie články, spoja sa aj stredné.
Aby sa vytvorilo kvantové zapletenie medzi fotónmi 1 a 4, ktoré v tom istom momente ani neexistovalo, Eisenberg a jeho kolegovia najprv zaplietli fotóny z páru 1 a 2 a potom zmerali polarizáciu fotónu 1 obvyklým spôsobom. Potom fyzici „spojili“ častice 3 a 4 a urobili „projekčné merania“. Posledná etapa Vedci merali polarizáciu fotónu 4. A aj keď fotóny 1 a 4 nikdy neexistovali súčasne, stále sa medzi nimi objavovalo kvantové zapletenie, uvádzajú vedci v predtlači článku na arXiv.org.
Eisenberg hovorí, že aj podľa teórie relativity, kde sa pohybujú dvaja pozorovatelia s pri rôznych rýchlostiach, vnímať sled udalostí v čase inak, nikto z nich nepovie, že častice 1 a 4 z jeho experimentu niekedy existovali súčasne.
„Náš experiment ukazuje, že nie je úplne logické považovať kvantové zapletenie za nejaký druh skutočného fyzikálny jav. Keďže tieto dva fotóny nikdy neexistovali súčasne, nie je možné povedať, že by medzi nimi v akomkoľvek časovom bode existovalo spojenie,“ hovorí Eisenberg.
Fyzik Anton Zeilinger z Viedenskej univerzity sa domnieva, že experiment jeho izraelských kolegov opäť dokazuje, aké nestabilné sú koncepty kvantovej mechaniky. „Kvantové efekty majú málo spoločného s tým, čo pozorujeme skutočný život každý deň,“ hovorí.
A predsa, pokrok v oblasti kvantovej mechaniky môže radikálne zmeniť život, ako ho poznáme. Napríklad na základe výskumu Eisenberga a jeho kolegov bude možné vytvoriť nerozbitné skryté spojenie medzi dvoma používateľmi nachádzajúcimi sa vo veľkej vzdialenosti od seba. Používateľ na druhom konci „drôtu“ nebude musieť čakať, kým sa informácie prenesú: zmena stavu opačného fotónu okamžite spôsobí zmenu jeho párov. Zeilenger tiež dúfa, že takéto experimenty môžu inšpirovať tvorcov kvantových počítačov k zlepšeniu technológie.
Telegraf „zabil“ holubiu poštu. Rádio nahradilo drôtený telegraf. Rádio, samozrejme, nikde nezmizlo, ale objavili sa iné technológie prenosu dát – káblové aj bezdrôtové. Generácie komunikačných štandardov sa navzájom veľmi rýchlo nahrádzajú: pred 10 rokmi bol mobilný internet luxusom a teraz čakáme na príchod 5G. V blízkej budúcnosti budeme potrebovať zásadne nové technológie, ktoré nebudú o nič menej nadradené tým moderným, ako sú rádiotelegrafy holubom.
Čo by to mohlo byť a ako to ovplyvní všetku mobilnú komunikáciu, je pod škrtom.
Virtuálna realita, výmena dát v inteligentnom meste pomocou internetu vecí, príjem informácií zo satelitov a z osád nachádzajúcich sa na iných planétach slnečná sústava a chrániť celý tento tok – takéto problémy nemožno vyriešiť len novým komunikačným štandardom.
Kvantové zapletenie
(c) Nový experiment nám umožňuje „vidieť“ kvantové zapletenie voľným okom. Vlastne nemôžeme pozri kvantová previazanosť, no krásna vizualizácia pomáha pochopiť podstatu javu.
Jednou z hlavných možností vývoja komunikácie, ktorá nás čaká, je využitie kvantových efektov. Táto technológia neodstráni, ale môže doplniť tradičné typy komunikácie (hoci nemôžeme okamžite zamietnuť myšlienku, že sieť založená na kvantovom prepletení by teoreticky mohla nahradiť iné typy komunikácie).
Kvantové zapletenie je fenomén spojenia medzi kvantovými charakteristikami. Spojenie môže byť zachované, aj keď sa častice rozchádzajú na veľkú vzdialenosť, pretože meraním kvantových charakteristík jednej zo spojených častíc automaticky poznáme charakteristiky druhej. Prvý protokol kvantovej kryptografie sa objavil už v roku 1984. Odvtedy bolo vytvorených mnoho experimentálnych a komerčných systémov založených na fenoménoch kvantového sveta.
c) Čínska akadémia vied
Dnes sa kvantová komunikácia využíva napríklad v bankovníctve, kde sú potrebné špeciálne bezpečnostné podmienky. Spoločnosti Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum už ponúkajú hotové kryptosystémy. Kvantové technológie na zaistenie bezpečnosti možno prirovnať k jadrovým zbraniam – ide o takmer absolútnu ochranu, ktorá však so sebou prináša značné náklady na implementáciu. Ak prenesiete šifrovací kľúč pomocou kvantového zapletenia, jeho zachytenie neposkytne útočníkom žiadne cenné informácie - na výstupe jednoducho dostanú inú sadu čísel, pretože sa zmení stav systému, do ktorého vonkajší pozorovateľ zasahuje.
Donedávna nebolo možné vytvoriť globálny dokonalý šifrovací systém – už po niekoľkých desiatkach kilometrov sa prenášaný signál vytratil. Uskutočnilo sa mnoho pokusov o zvýšenie tejto vzdialenosti. Čína tento rok spustila satelit QSS (Quantum experiments at Space Scale), ktorý by mal implementovať schémy distribúcie kvantových kľúčov na vzdialenosť viac ako 7000 kilometrov.
Satelit vygeneruje dva zapletené fotóny a pošle ich na Zem. Ak všetko pôjde dobre, distribúcia kľúča pomocou zapletených častíc bude znamenať začiatok éry kvantovej komunikácie. Desiatky takýchto satelitov by mohli tvoriť základ nielen nového kvantového internetu na Zemi, ale aj kvantovej komunikácie vo vesmíre: pre budúce osídlenie Mesiaca a Marsu a pre komunikáciu v hlbokom vesmíre so satelitmi smerujúcimi za hranice slnečnej sústavy.
Kvantová teleportácia
Zariadenie na distribúciu kvantového kľúča v laboratórnych podmienkach, Ruské kvantové centrum.
Pri kvantovej teleportácii nedochádza k žiadnemu hmotnému prenosu objektu z bodu A do bodu B - dochádza k prenosu „informácií“, nie hmoty alebo energie. Teleportácia sa používa na kvantovú komunikáciu, ako je prenos tajných informácií. Musíme pochopiť, že nejde o informácie vo forme, ktorú poznáme. Zjednodušením modelu kvantovej teleportácie môžeme povedať, že nám umožní vygenerovať sekvenciu náhodných čísel na oboch koncoch kanála, to znamená, že budeme môcť vytvoriť šifrovaciu podložku, ktorú nemožno zachytiť. V dohľadnej budúcnosti je to jediná vec, ktorá sa dá urobiť pomocou kvantovej teleportácie.
Prvýkrát na svete sa teleportácia fotónov uskutočnila v roku 1997. O dve desaťročia neskôr bola teleportácia cez optické siete možná na desiatky kilometrov (v rámci európskeho programu v oblasti kvantovej kryptografie bol rekord 144 kilometrov). V meste je už teoreticky možné vybudovať kvantovú sieť. Je však podstatný rozdiel medzi laboratórnym a reálnych podmienkach. Kábel z optických vlákien podlieha zmenám teploty, čo mení jeho index lomu. V dôsledku vystavenia slnku sa môže fáza fotónu posunúť, čo v určitých protokoloch povedie k chybe.
, Laboratórium kvantovej kryptografie.
Experimenty sa uskutočňujú po celom svete vrátane Ruska. Pred niekoľkými rokmi sa v krajine objavila prvá kvantová komunikačná linka. Spájal dve budovy univerzity ITMO v Petrohrade. V roku 2016 vedci z Kazanského kvantového centra KNITU-KAI a ITMO University spustili prvú viacuzlovú kvantovú sieť v krajine, ktorá dosiahla rýchlosť generovania preosiatych kvantových sekvencií 117 kbit/s na 2,5-kilometrovej linke.
Tento rok sa objavila prvá komerčná komunikačná linka - ruské kvantové centrum spájalo kancelárie Gazprombank vo vzdialenosti 30 kilometrov.
Fyzici z Laboratória kvantových optických technológií Moskovskej štátnej univerzity a Nadácie pre pokročilý výskum na jeseň testovali automatický kvantový komunikačný systém vo vzdialenosti 32 kilometrov, medzi Noginskom a Pavlovským Posadom.
Ak vezmeme do úvahy tempo tvorby projektov v oblasti kvantových výpočtov a prenosu dát, o 5-10 rokov (podľa samotných fyzikov) kvantová komunikačná technológia konečne opustí laboratóriá a stane sa tak bežnou ako mobilná komunikácia.
Možné nevýhody
(s) Je možná kvantová komunikácia
IN posledné roky Otázka informačnej bezpečnosti v oblasti kvantových komunikácií je čoraz viac diskutovaná. Predtým sa verilo, že pomocou kvantovej kryptografie je možné prenášať informácie takým spôsobom, že ich za žiadnych okolností nemožno zachytiť. Ukázalo sa, že absolútne spoľahlivé systémy neexistujú: fyzici zo Švédska demonštrovali, že za určitých podmienok môžu byť kvantové komunikačné systémy hacknuté vďaka niektorým vlastnostiam pri príprave kvantovej šifry. Fyzici z Kalifornskej univerzity navyše navrhli metódu slabých kvantových meraní, ktorá v skutočnosti porušuje princíp pozorovateľa a umožňuje vypočítať stav kvantového systému z nepriamych údajov.
Prítomnosť zraniteľností však nie je dôvodom na opustenie samotnej myšlienky kvantovej komunikácie. Preteky medzi útočníkmi a vývojármi (vedcami) budú pokračovať na zásadne novej úrovni: pomocou zariadení s vysokým výpočtovým výkonom. Nie každý hacker si môže dovoliť takéto vybavenie. Okrem toho môžu kvantové efekty umožniť zrýchlenie prenosu údajov. Použitím prepletených fotónov sa prenos môže takmer zdvojnásobiť viac informácií za jednotku času, ak sú dodatočne zakódované pomocou smeru polarizácie.
Kvantová komunikácia- nie je všeliekom, ale zatiaľ zostáva jednou z najsľubnejších oblastí pre rozvoj globálnej komunikácie.
Čínsky satelit Micius vypustený minulý rok úspešne dokončil orbitálne testy a vytvoril nový rekord v kvantovej komunikácii. Vygeneroval pár zapletených fotónov, oddelil ich a súčasne preniesol do dvoch pozemných staníc vzdialených od seba 1203 km. Pozemné stanice potom využili efekt kvantovej teleportácie na výmenu zašifrovaných správ. Vypustenie takýchto satelitov potenciálne otvára možnosť vytvorenia globálnych komunikačných systémov chránených pred odpočúvaním na úrovni fyzikálnych princípov. Experiment už dostal názov „začiatok kvantového internetu“.
Zariadenie v hodnote približne 100 miliónov dolárov vzniklo v rámci projektu QUESS (Quantum Science Satellite), spoločnej iniciatívy Čínskej a Rakúskej akadémie vied. „Tento projekt má dokázať možnosť zavedenia kvantovej komunikácie v globálnom meradle,“ komentuje Anton Zeilinger, expert na kvantová fyzika Viedenská univerzita, prvá na svete, ktorá vykonala kvantovú teleportáciu stavov zapletených fotónov.
Teleportácia kvantová a fantastická
Pojem „teleportácia“ môže byť zavádzajúci. V kvantových systémoch to znamená prenos informácií medzi vopred vygenerovanými pármi spojených častíc, to znamená, že sa vyznačujú spoločnou vlnovou funkciou. V tomto prípade nedochádza k prenosu hmoty alebo energie a nie je narušená všeobecná relativita. Podstatou kvantovej teleportácie je využitie vzájomne prepojených kvantových stavov zapletených častíc na zakódovanie a okamžitý prenos informácií. Meranie (teda zmena) vlastností jednej častice okamžite zmení vlastnosti druhej, bez ohľadu na to, v akej vzdialenosti sa nachádzajú.
Satelit s hmotnosťou viac ako 600 kg bol vypustený na synchrónnu obežnú dráhu so slnkom vo výške 494,8 – 511,1 km pomocou nosnej rakety Long March 2D (známej aj ako Long March alebo „Long March“) vypustenej z Jiuquan. Centrum spustenia satelitov 16. augusta 2016. Po dlhých mesiacoch testovania bol presunutý do Čínskej akadémie vied.
Orbitálne parametre boli zvolené tak, aby sa satelit objavoval každú noc na rovnakom mieste. Pozemné stanice sledovali satelit a nadviazali s ním optické komunikačné spojenia na príjem jednotlivých zapletených fotónov. Satelit monitorovali tri optické teleskopy v Deling, Lijiang a Nanshan. Družici sa podarilo nadviazať spojenie so všetkými tromi pozemnými stanicami.
Podľa plánu sa Micius stane prvým zariadením v globálnej kvantovej komunikačnej sieti, ktorú má Čína v úmysle vytvoriť do roku 2030. Jednou z úloh jeho vedeckej misie je kvantový prenos informácií cez komunikačný kanál chránený pred odpočúvaním medzi Pekingom a Viedňou. Na tento účel je satelit vybavený experimentálnym zariadením: žiaričom párov zapletených fotónov a vysokorýchlostným koherentným laserovým vysielačom.
Mimochodom, satelit Micius (v inom prepise - Mozi) je pomenovaný po starom čínskom filozofovi Mo Tzu. Podľa popredného špecialistu na vývoj Miciusa, akademika Jian-Wei Pana z Čínskej univerzity vedy a techniky, jeho krajan Mo Tzu opísal povahu šírenia svetla ešte pred naším letopočtom, čo dalo podnet k rozvoju optické komunikácie. Nechajme národné nároky na prvenstvo v optike mimo rámca tohto článku a pozrime sa, čím je záznam taký zaujímavý, a zároveň sa pokúsme pochopiť základy kvantovej komunikácie.
Čínsko-rakúska dohoda
Nie náhodou sa do projektu zapojilo Rakúsko: práve skupine fyzikov z rakúskej univerzity v Innsbrucku sa v roku 1997 ako prvému podarilo demonštrovať kvantovú teleportáciu štátov v páre zapletených fotónov.
U moderná Čína To isté zaujímavý príbeh zvládnutie kvantovej komunikácie. V roku 2005 vedci z Čínska univerzita veda a technika boli schopné preniesť kvantový stav zapletených častíc na vzdialenosť 7 km otvorený vzduch. Neskôr sa pomocou na mieru vyrobeného optického vlákna táto vzdialenosť zvýšila na 400 km. Prvýkrát sa prenos zapletených fotónov cez atmosféru a na značnú vzdialenosť podaril aj fyzikom z Čínskej univerzity vedy a techniky a Pekingskej univerzity Tsinghua. V máji 2010 úspešne preniesli pár zapletených fotónov na vzdialenosť 16 km (pozri Nature Photonics).
Komunikácia z optických vlákien alebo priamej viditeľnosti je potrebná iba na počiatočné oddelenie zapletených fotónov. Následne sa informácie o zmenách ich kvantového stavu prenášajú okamžite a bez ohľadu na vzdialenosť. Preto okrem tradične uvádzaných výhod kvantového prenosu dát (vysoká hustota kódovania, rýchlosť a bezpečnosť proti odpočúvaniu) si Zeilinger všíma ešte jednu dôležitú vlastnosť: kvantová teleportácia je možná aj v prípade, keď je presná vzájomného usporiadania prijímač a vysielač nie sú známe. Toto je obzvlášť dôležité pre satelitné komunikačné systémy, pretože vzájomné pozície sieťových uzlov v nich sa neustále menia.
V novom experimente s použitím Miciusu si laboratóriá nachádzajúce sa v hlavných mestách Číny a Rakúska navzájom prenášali správu zašifrovanú Vernamovou šifrou cez otvorené pozemné kanály. Ako kryptografický kľúč boli použité výsledky merania kvantových vlastností párov zapletených fotónov prijatých zo satelitu.
Je zrejmé, že prijímať miliardy fotónov na Zemi aj zo vzdialeného Slnka nie je problém. Každý to môže urobiť za slnečného dňa jednoduchým vystúpením z tieňa. Súčasné zistenie určitého páru zapletených fotónov zo satelitu v dvoch rôznych laboratóriách a meranie ich kvantových vlastností je mimoriadne náročná technická úloha. Na vyriešenie tohto problému použil projekt QUESS adaptívnu optiku. Neustále meria mieru skreslenia spôsobeného turbulenciami v zemskej atmosfére a kompenzuje ho. Okrem toho sa na odrezanie použili optické filtre mesačný svit a mestské svetlo. Bez nich bolo v optickej komunikačnej linke príliš veľa šumu.
Každý prelet satelitu nad čínskym územím trval iba 275 sekúnd. Počas tejto doby bolo potrebné súčasne nainštalovať dva výstupné kanály z neho. V prvej sérii experimentov - medzi Delingou a Nanshanom (vzdialenosť 1120 km). V druhom - medzi Delinga a Lijian (1203 km). V oboch experimentoch boli páry zapletených fotónov úspešne prijaté zo satelitu a bezpečný komunikačný kanál bol funkčný.
Toto sa považuje za prelomové z niekoľkých dôvodov. Po prvé, Micius bol prvým úspešným experimentom v satelitnej kvantovej komunikácii. Doteraz sa všetky takéto experimenty vykonávali v pozemných laboratóriách, kde sa prijímač a vysielač nachádzali v oveľa kratších vzdialenostiach od seba. Po druhé, ďalšie experimenty vyžadovali použitie nejakého druhu izolovaného média na prenos zapletených fotónov. Napríklad komunikačné linky z optických vlákien. Po tretie, v kvantovej komunikácii sa jednotlivé fotóny prenášajú a detegujú cez optické vlákno a satelit zvyšuje efektívny výmenný kurz.
Kvantová komunikácia v Rusku
Od roku 2014 sa v Rusku rozbehol projekt v oblasti pozemných kvantových komunikácií. Investície do nej presahujú 450 miliónov rubľov, ale praktický výstup je stále veľmi skromný. Pracovníci ruského kvantového centra spustili 31. mája 2016 prvú domácu kvantovú komunikačnú linku. Vytvorená na základe existujúcej siete optických vlákien prepojila dve pobočky Gazprombank v Moskve – na Koroviy Val a v Novom Cheryomushki. Vzdialenosť medzi týmito budovami je asi 30 km. Ruská kvantová komunikačná linka zatiaľ funguje ako experimentálna.
Signál z Micius putoval atmosférou a súčasne ho prijímali dve pozemné stanice. „Ak by sme použili 1200 km optického vlákna na distribúciu párov zapletených fotónov na Zemi, potom by sme v dôsledku straty výkonu signálu so vzdialenosťou mohli prenášať iba jeden pár za sekundu. Satelit pomáha prekonať túto bariéru. Už sme zlepšili rýchlosť distribúcie o 12 rádov v porovnaní s predchádzajúcimi technológiami,“ hovorí Jian-Wei Pan.
Kvantový prenos dát cez satelit otvára možnosť budovania globálnych komunikačných systémov, ktoré sú maximálne chránené pred odpočúvaním na úrovni fyzikálnych princípov. „Toto je prvý krok k celosvetovej bezpečnej kvantovej komunikácii a možno aj kvantovému internetu,“ hovorí Anton Zeilinger.
Paradoxom tohto úspechu je, že ani autori projektu nepoznajú všetky podrobnosti o fungovaní kvantového komunikačného systému. Existujú len pracovné hypotézy, ich experimentálne testovanie a dlhé debaty o správnej interpretácii získaných výsledkov. Často sa to stáva: najprv sa jav objaví, potom sa aktívne používa a až po dlhom čase je niekto schopný pochopiť jeho podstatu. Primitívni ľudia vedel založiť oheň, ale nikto z nich nerozumel fyzikálnym a chemickým procesom horenia. Museli sme im porozumieť, aby sme urobili kvalitný prechod z ohňa na spaľovací motor a raketový motor.
Kvantová teleportácia je v každom zmysle úplne mätúca vec. Pokúsme sa abstrahovať od zložitých vzorcov a neviditeľných pojmov a pochopiť jeho základy. Pomôžu nám v tom starí známi - spolubesedníci Alice, Bob a Malory, ktorá ich neustále odpočúva.
Ako Alice a Bob obkľúčili Mallory
V bežnom komunikačnom systéme je Malorymu pridelená rola „muža uprostred“. Nenápadne sa vklíni do prenosovej linky, zachytí správu od Alice, prečíta ju, ak je to žiaduce, tiež ju zmení a odovzdá Bobovi. Naivný Bob nič netuší. Malory teda vezme jeho odpoveď, urobí si s ňou, čo chce, a pošle ju Alici. Takto je kompromitovaná všetka korešpondencia, telefonické rozhovory a akýkoľvek iný klasický typ komunikácie. Pri kvantovej komunikácii je to v princípe nemožné. prečo?
Na vytvorenie kryptografického kľúča tam Alice a Bob najprv použijú sériu meraní na pároch zapletených fotónov. Výsledky týchto meraní sa potom stávajú kľúčom na šifrovanie a dešifrovanie správ odoslaných prostredníctvom ľubovoľného otvorený kanál. Ak Malory zachytí zapletené fotóny, zničí kvantový systém a obaja partneri o tom budú okamžite vedieť. Malory by fyzicky nebol schopný preniesť tie isté fotóny, pretože by to porušilo princíp kvantovej mechaniky známy ako „pravidlo bez klonovania“.
Deje sa tak preto, lebo vlastnosti makro- a mikrosveta sú radikálne odlišné. Akýkoľvek makro objekt vždy existuje vo veľmi špecifickom stave. Tu je kus papiera, leží tam. Tu bol vložený do obálky a zaslaný leteckou poštou. Akýkoľvek parameter papierovej správy môžeme kedykoľvek zmerať a nijako to neovplyvní jej podstatu. Nezmení svoj obsah vplyvom váženia či röntgenu a nepoletí rýchlejšie v radarovom lúči, ktorým meriame rýchlosť lietadla.
To neplatí pre elementárne častice. Sú popisované ako pravdepodobnostné stavy kvantového systému a akékoľvek meranie ho prenáša do presne definovaného stavu, teda mení ho. Samotný vplyv merania na výsledok dobre nezapadá do zaužívaného svetonázoru. Z praktického hľadiska je to však zaujímavé, pretože stav prenášaného kvantového systému nemožno tajne poznať. Pokus zachytiť a prečítať takúto správu ju jednoducho zničí. Preto sa verí, že kvantová komunikácia úplne eliminuje možnosť útoku MitM.
Akékoľvek elementárne častice sú teoreticky vhodné na prenos kvantových údajov. Predtým sa experimenty vykonávali s elektrónmi, protónmi a dokonca aj iónmi rôznych kovov. V praxi je zatiaľ najvýhodnejšie použiť fotóny. Ľahko sa vydávajú a registrujú. Na tradičný prenos dát už existujú hotové zariadenia, protokoly a celé optické siete. Rozdiel medzi kvantovými komunikačnými systémami je v tom, že sa do nich musia prenášať páry predtým zapletených fotónov.
Ako sa nenechať zmiasť v dvoch fotónoch
Prepletenie elementárnych častíc vyvoláva vášnivé debaty o princípe lokality – postulátu, že na interakciách sa zúčastňujú iba objekty dostatočne blízko seba. Na tomto princípe sú založené všetky experimentálne testy v klasickej mechanike. Výsledok akéhokoľvek experimentu v ňom závisí len od priamo interagujúcich telies a dá sa vopred presne vypočítať. Počet pozorovateľov to tiež nijako neovplyvní. V prípade kvantovej mechaniky takáto istota neexistuje. Nedá sa napríklad dopredu povedať, aká bude polarizácia jedného zo zapletených fotónov.
Einstein opatrne naznačil, že pravdepodobnostná povaha predpovedí kvantovej mechaniky sa vysvetľuje prítomnosťou niektorých skrytých parametrov, to znamená banálnou neúplnosťou popisu. O tridsať rokov neskôr Bell reagoval vytvorením série nerovností, ktoré by teoreticky mohli potvrdiť prítomnosť skrytých parametrov v experimentoch s kvantovými časticami analýzou rozdelenia pravdepodobnosti v sérii experimentov. Alain Aspe a potom ďalší experimentátori preukázali porušenie Bellových nerovností.
V roku 2003 teoretický fyzik z University of Illinois Tony Leggett zhrnul nahromadené údaje a navrhol úplne opustiť princíp lokality v akomkoľvek uvažovaní o kvantových systémoch. Neskôr skupina Vedci z Zürich Institute of Theoretical Physics a Institute of Applied Physics Technickej univerzity v Darmstadte pod vedením Rogera Kolbecka prišli na to, že Heisenbergov princíp je nesprávny aj pre zapletené elementárne častice.
K tomuto neustálemu prehodnocovaniu kvantovej mechaniky dochádza, pretože sa snažíme myslieť známymi pojmami v neznámom prostredí. Zapletené stavy častíc a najmä fotónov nie sú vôbec mystickou vlastnosťou. Neporušuje, ale skôr dopĺňa známe fyzikálne zákony. Len samotní fyzici ešte nedokážu opísať pozorované účinky v konzistentnej teórii.
Kvantové zapletenie bolo pozorované v experimentoch od 70. rokov 20. storočia. Páry vopred zapletených častíc oddelené na ľubovoľnú vzdialenosť okamžite (t. j. rýchlejšie ako rýchlosť svetla) navzájom menia svoje vlastnosti – preto sa nazýva „teleportácia“. Ak napríklad zmeníte polarizáciu jedného fotónu, jeho pár okamžite zmení svoj vlastný. Zázrak? Áno, ak si nepamätáte, že pôvodne boli tieto fotóny jeden celok a po oddelení sa ukázalo, že ich polarizácia a ďalšie vlastnosti sú tiež vzájomne prepojené.
Určite si pamätáte na duplicitu fotónu: interaguje ako častica, ale šíri sa ako vlna. Existujú rôzne techniky na vytvorenie páru zapletených fotónov, z ktorých jedna je založená na vlnových vlastnostiach. Vygeneruje jeden fotón s kratšou vlnovou dĺžkou (napríklad 512 nm) a potom sa rozdelí na dva fotóny s dlhšou vlnovou dĺžkou (1024 nm). Vlnová dĺžka (frekvencia) takýchto fotónov je rovnaká a všetky kvantové vlastnosti páru sú opísané pravdepodobnostným modelom. „Zmena“ v mikrokozme znamená „meranie“ a naopak.
Fotónová častica má kvantové čísla - napríklad helicitu (kladnú alebo zápornú). Fotónová vlna má polarizáciu - napríklad horizontálnu alebo vertikálnu (alebo ľavú a pravú kruhovú - podľa toho, ktorú rovinu a smer pohybu uvažujeme).
Aké budú tieto vlastnosti pre každý fotón z páru, nie je vopred známe (pozri pravdepodobnostné princípy kvantovej mechaniky). Ale v prípade zapletených fotónov môžeme povedať, že to bude naopak. Preto, ak zmeníte (zmeriate) charakteristiky jedného fotónu z páru, okamžite sa stanú určenými pre druhý, aj keď sa nachádza 100 500 parsekov ďaleko. Je dôležité pochopiť, že nejde len o odstránenie neznámeho. Ide práve o zmenu kvantových vlastností častíc v dôsledku prechodu z pravdepodobnostného stavu do deterministického.
Hlavnou technickou výzvou nie je vytváranie zapletených párov fotónov. Takmer každý svetelný zdroj ich produkuje neustále. Dokonca aj žiarovka vo vašej izbe vyžaruje milióny zapletených fotónov. Sotva sa však dá nazvať kvantovým zariadením, keďže v takomto chaose je kvantové zapletenie narodené páry rýchlo zmizne a nespočetné množstvo interakcií sťažuje efektívne sprostredkovanie informácií.
Experimenty s kvantovým previazaním fotónov zvyčajne využívajú vlastnosti nelineárnej optiky. Napríklad, ak zažiarite laserom na kúsok niobátu lítneho alebo iného nelineárneho kryštálu vyrezaného určitým spôsobom, potom sa objavia páry fotónov so vzájomne ortogonálnou (to znamená horizontálnou a vertikálnou) polarizáciou. Jeden (ultra)krátky laserový impulz je striktne jeden pár fotónov. V tom je to kúzlo!
Dodatočný bonus kvantového prenosu dát
Helicita, polarizácia sú všetky ďalšie spôsoby kódovania signálu, takže jedným fotónom možno preniesť viac ako jeden bit informácie. Takto kvantové komunikačné systémy zvyšujú hustotu a rýchlosť prenosu dát.
Použitie kvantovej teleportácie na prenos informácií je stále príliš ťažké, ale pokrok v tejto oblasti rýchlo napreduje. Prvá úspešná skúsenosť bola zaznamenaná v roku 2003. Zeilingerova skupina vykonala prenos kvantových stavov zapletených častíc vzdialených 600 m V roku 2010 skupina Jian-Wei Pana zvýšila túto vzdialenosť na 13 km a potom v roku 2012 prekonala svoj vlastný rekord, keď zaznamenala úspešnú kvantovú teleportáciu na vzdialenosť 97 km. . V tom istom roku 2012 sa Zeilinger pomstil a zvýšil vzdialenosť na 143 km. Teraz spoločným úsilím urobili skutočný prielom - dokončili prenos 1203 km.
KVANTOVÁ KOMUNIKÁCIA, súbor metód na prenos kvantovej informácie, teda informácie zakódovanej v kvantových stavoch (QS), z jedného priestorového bodu do druhého. Nositeľmi kvantovej informácie sú kvantové systémy, ktoré môžu byť v rôznych kvantových stavoch.
K výmene informácií medzi vzdialenými používateľmi dochádza s prihliadnutím na typ CS, ktorý na rozdiel od klasických stavov môže byť neortogonálny a zmätený (prepojený). Kódovanie klasické informácie v neortogonálnom KS umožňuje sprevádzať každú správu vlastným tajným kľúčom, t.j. riešiť jeden z hlavných problémov klasickej kryptografie - bezpodmienečne tajnú distribúciu kľúčov. Vlastnosť entanglement KS umožňuje zabezpečiť doručenie dvoch identických bitových sekvencií dvom vzdialeným užívateľom so zárukou, že informácie v nich obsiahnuté nie sú dostupné tretej strane. V prvom aj druhom prípade je absolútna tajnosť prenášaných údajov zabezpečená nie výpočtovými a technickými možnosťami legitímnych používateľov a potenciálnych zachytávačov, ale prírodnými zákonmi založenými na lineárnosti a jednotnosti kvantových transformácií a na neistých vzťahoch. (pozri Kvantová kryptografia).
Najvhodnejšie kvantové systémy používané na prenos CS na veľké vzdialenosti sú fotóny. Šíria sa rýchlosťou svetla a umožňujú kódovanie informácií vo frekvencii, fáze, amplitúde, polarizácii a časových premenných. Využitie fotónov ako nosičov informácií navyše umožňuje využiť množstvo technologických výdobytkov v oblasti klasických telekomunikácií – komunikačné linky s optickými vláknami, všetky druhy modulátorov a prevodníkov optických signálov.
Stavy fotónov, v ktorých sú informácie zakódované, sa vyberajú zo stupňov voľnosti elektromagnetického poľa, ktorý môže byť spojitý alebo diskrétny. Kvantové systémy s veľkým (limitným, nekonečným) rozmerom Hilbertovho priestoru, napríklad kvadratúrne amplitúdy ľubovoľného módu kvantovaného elektromagnetického poľa alebo kolektívne stavy súboru atómových systémov, majú spojité stupne voľnosti. Zapletené stavy systémov so spojitými premennými sa realizujú pomocou stlačených stavov svetla a kompresia kvadratúrnych kvantových fluktuácií nastáva v dôsledku nelineárnych optických procesov.
Pre systémy s diskrétnymi premennými je rozmer Hilbertovho priestoru konečný. Najjednoduchším systémom tohto typu je dvojúrovňový systém, ktorý je možné realizovať napríklad na polarizačných stupňoch voľnosti fotónu. V stavoch dvojúrovňového systému sa fyzikálne realizuje kvantový bit informácie nazývaný qubit (q-bit, qubit, z anglického quantum bit). Najrozvinutejšie sú kvantové komunikačné protokoly založené na qubitoch (protokoly znamenajú postupnosť akcií vedúcich k riešeniu problému).
Akýkoľvek kvantový komunikačný systém pozostáva zo zdroja kvantových stavov, média, v ktorom sa tieto stavy šíria (komunikačný kanál) a detektorov, ktoré merajú kvantové stavy. Na generovanie CS na jednotlivých fotónoch sa používajú hlavne silne zoslabené laserové impulzy. Ak má počiatočné laserové žiarenie Poissonovu štatistiku, tak zavedením daného útlmu je možné vypočítať priemerný počet fotónov na impulz, ako aj podiel vákua, jednofotónu, dvojfotónu a ďalších zložiek. IN moderné systémy V kvantovej kryptografii sa bežne používa priemerný počet fotónov na úrovni 0,1, teda keď je v každom desiatom pulze približne jeden fotón. Nevyhnutná štatistická prítomnosť multifotónových komponentov obmedzuje utajenie prenášaných údajov.
Zapletené stavy párov fotónov sú generované v procese spontánneho parametrického rozptylu (SPR) svetla. V závislosti od režimu SPR dochádza k zapleteniu medzi rôznymi stupňami voľnosti fotónov. Existuje priestorová polarizácia, frekvenčná polarizácia, časová energia a iné typy zapletených stavov. V procese stimulovaného parametrického rozptylu sa generujú stlačené stavy svetla - analóg zapletených stavov pri vysokých intenzitách žiarenia.
Prostredie, v ktorom sa CS šíri, sú komunikačné linky z optických vlákien alebo otvorený priestor. Štandardné spoje z optických vlákien sú vyrobené z taveného oxidu kremičitého a majú minimálnu stratu pri vlnových dĺžkach 1,3 µm a 1,55 µm. Ak je komunikačný kanál otvorený priestor, dochádza k minimálnym stratám pri vlnovej dĺžke 0,8 mikrónov a v oblasti 4-10 mikrónov. Práve pri týchto vlnových dĺžkach sa generujú optické signály v závislosti od typu komunikačnej linky.
Na meranie CS sa používajú najmä lavínové fotodiódy. V rozsahu 1,3-1,55 mikrónov ide o diódy na báze polovodičových štruktúr typu InGaAs/InP s kvantovou účinnosťou okolo 10 %. V rozsahu 0,8 µm sa používajú kremíkové lavínové fotodiódy s kvantovou účinnosťou okolo 50 %. Vyvíjajú sa ďalšie typy detektorov, napríklad na báze supravodivých štruktúr. V budúcnosti sa plánuje využitie kvantových rozhraní a kvantovej pamäte na zaznamenávanie, ukladanie a spracovanie kvantových informácií.
Kvantové spojenia sa vyznačujú počtom kvantových systémov zapojených do kódovania kvantovej informácie. V jednofotónovej kvantovej komunikácii sú informácie zakódované v stavoch jednotlivých fotónov. V dvojfotónovej kvantovej komunikácii sa spletenie dvojice fotónov používa na vzdialenú prípravu požadovaného stavu. Trojfotónová kvantová komunikácia sa používa na prenos jednofotónového KS bez priamej komunikácie medzi dvoma časopriestorovými bodmi vďaka kvantovej teleportácii. Kvantová teleportácia je metóda prenosu ľubovoľných (predtým neznámych) kvantových stavov z jedného bodu do druhého pomocou zapletených stavov rozdelených medzi tieto dva body a výmeny klasických údajov medzi nimi. Pri teleportovaní jedného qubitu sa používajú dva bity klasickej informácie. Štvorfotónová kvantová komunikácia sa používa na teleportáciu zapletenia alebo kvantovú výmenu zapletenia. Tento typ kvantovej komunikácie je veľmi dôležitý pre vytváranie kvantových relé a kvantových opakovačov (opakovač + kvantová pamäť). Rozvoj kvantovej komunikácie je sľubný prostredníctvom satelitov na nízkej obežnej dráhe.
Lit.: Kilin S. Ya. Kvantové informácie // Pokroky vo fyzikálnych vedách. 1999. T. 168. Vydanie. 5; Physics of quantum information / Edited by D. Bouwmeister et al., 2002; Nielsen M., Chang I. Kvantové výpočty a kvantové informácie. M., 2006.
