В края на 2023 г. учени за първи път извършиха телепортация


Човечеството е на крачка по-близо до телепортацията. През декември 2023 г. учени от Южна Африка, Германия и Испания провеждат експеримент, в който успяват да телепортират информация с помощта на квантово свързани фотони и нелинеен детектор.

Основна концепция за телепортиране на квантови състояния на фотони. Тази процедура е предложена през 1993 г. и успешно осъществен през 1997 г.

Подобен трансфер на данни в рамките на квантовите състояния трябва да бъде част от информационната супермагистрала на бъдещето, която по отношение на сигурността и капацитета ще засенчи всички съвременни оптични мрежи.

Първо трябва да се изяснат условията. Конвенционалната квантова телепортация вече е извършвана много десетки пъти. Например, един от тези експерименти се провежда преди три години. След това, в края на 2020 г., екип от учени от Съединените щати излъчва квантовото състояние на частица на разстояние от 44 километра, но това е далеч от телепортацията, която присъства в книгите и филмите.

И ако в киното се премества самият обект, то в действителност американците преместват само  квантовото състояние на обекта , тоест характеристиките на неговото преплитане с други частици. Този набор от параметри е много труден за предаване с помощта на традиционни средства за комуникация, като се използват нули и единици.

Но учените успешно излъчват състоянието на три преплетени кубита през конвенционални оптични мрежи и след това го възпроизведат правилно от страната на приемника. Реалността не звучи толкова готино, колкото самият термин “квантова телепортация“, но вече има голям напредък, особено ако искате да се научите как да работи квантови компютри.

Сега полето на квантовата телепортация се развива много бързо. През 2017 г. китайски учени успяват да предадат, т. е. телепортират, фотонни параметри чрез сателит между две земни лаборатории, разположени на разстояние 1200 км. През 2020 г. в Чикаго е създаден цял консорциум, който трябва да разработи първия в света квантов интернет – много по-бърз и по-безопасен, както и с по-висока честотна лента.

Съобщение, предадено чрез квантова телепортация, ще бъде невъзможно да се хакне, защото ще бъде обвързано със състоянието на частицата. Всеки опит за отваряне и измерване на информация ще доведе до нарушаване на кохерентността и увреждане на съобщението. Освен това получателят, след като получи набор от грешки, ще разбере, че е направен опит за прихващане на съобщението и ще може да предприеме действия.

Очаква се такъв интернет да струва много повече от обикновено, но също така ще бъде търсен от търговски компании и други финансови организации, за които сигурността и скоростта са на първо място.

Но това не е точно телепортация … Тъй като телепортирането на реални данни е много по-трудно.

Схема на работа на квантов телепортер

Квантовият интернет е от малка полза, ако може да се съобщава само състоянията на свързаните частици с него. Такава информация е от интерес само за учените. Трябва да се научи как по някакъв начин да се вградят истински, полезни данни в това.

В почти всички случаи фотоните се използват като свързани квантови частици. Това се дължи на сравнителната простота на тяхното получаване, предаване и „четене“. Фотоните имат само две възможни състояния: положителна („дясна“) или отрицателна („лява“) спиралност. Това означава, че само това квантово число трябва да бъде измерено, за да се изчисли, че пълното състояние на частицата е прехвърлено успешно.

Въпреки това, като се вземе предвид тази квантова двоична природа на фотоните, вече не е ясно къде да се търси полезна информация? Може би трябва да се заплетат и съхранят хиляди двойки свързани фотони и след това да да се съхранят във всеки от центровете за данни? Теоретично това е възможно, но цялата простота и елегантност на квантовата телепортация се губи, тъй като процедурата започва да създава повече проблеми, отколкото решения.

Екипът от Южна Африка, Испания и Германия намери решение. Те са се научили да телепортират състояния на светлина, за да формират изображение, използвайки само една двойка заплетени фотони. Това се постига чрез предаване на информация, кодирана в орбитален ъглов момент и Ермит-Гаусови суперпозиции в произволни пространствени режими.

Четете още: Учени твърдят, че Земята има сърце, а ние сме в симбиоза с нея, както миниатюрните рибки с огромния кит

Два фотона в суперпозиция, поради взаимодействие с други фотони, могат да предадат много повече информация, отколкото състоянието на тяхната спиралност.

Томографията на квантовите състояния дава възможност да се разпознае кодираната в тях информация

В работата си учените казват, че този нов подход към използването на многомерни квантови състояния може да бъде разширен до други степени на свобода на елементарна частица. Капацитетът на комуникационния канал и количеството информация, предавана наведнъж в квантовия интернет, може да са дори по-големи, отколкото се смята досега.

Обменът на информация между две страни, при който информацията се прехвърля без физическо транспортиране, е критичен процес в бъдещите квантови мрежи. Използването на многоизмерни състояния обещава по-голям информационен капацитет и повишена устойчивост на шум.

В тази работа се демонстрира как нелинеен параметричен процес позволява произволни високомерни проекции на състоянието в пространствени степени на свобода, където силно кохерентно поле увеличава вероятностното пространство.

Това позволява да се реализира квантово предаване на многоизмерна пространствена информация, използвайки прост квантов канал с единична заплетена двойка и детектор за нелинеен пространствен режим.

Традиционно две комуникиращи страни физически прехвърлят информация една на друга и тази информация може да бъде открадната или манипулирана. Но сега може да се телепортира информация,тоест, самата тя никога не пресича физически връзката и се съдържа само в спрегнати частици, характеристиките на връзката, които се предават в мрежата.

Това издига сигурността на трансфера на информация на ново ниво – тя теоретично може да бъде защитена, наред с други неща, от хакване, извършено с помощта на квантови компютри.

Внимателното измерване на определена характеристика на една от свързаните частици в същия момент влияе върху съответния параметър на другата частица, като по същество прехвърля квантово състояние към нея.

Чрез предаване на други параметри на оригиналната частица по обичайния физически начин това състояние може да бъде фиксирано, докато вероятностите за съществуването на други измерения се изтриват. Остана само една версия на частицата и данните, които съдържа.

Чрез измерване на повече различни характеристики, изследователите успяват да опаковат достатъчно информация само в два свързани фотона, за да възпроизведат изображения. Сред параметрите са измерени ъгловият импулс на фотона и историята на взаимодействието му с други частици (вълнова интерференция).

След това тези данни са успешно телепортирани от една точка в друга. Иновативен метод за кодиране на данни увеличи броя на параметрите, които могат да бъдат телепортирани в квантово състояние с порядък. Сега това не е просто нула или единица, а цял набор от индикатори

Фотоните в този случай са действали не само като гаранти за точността на данните, но и като начини за тяхното криптиране и предаване. Засега предадените данни са достатъчни само за няколко пиксела, но на теория нищо не спира от квантовата телепортация на цели снимки или малки файлове.

В своята работа учените казват, че:

„Този протокол демонстрира всички общоприети характеристики на телепортацията. С изключение на едно нещо: за да увеличим ефективността на нелинейния детектор, който разработихме, трябваше да използваме ярък лазерен лъч.

Позволява на подателя да знае посоката, в която трябва да се телепортира информацията. Системата може да работи без лъч, но точността на измерване ще бъде намалена и разстоянието на телепортация ще бъде значително намалено.“

В този смисъл това все още не е пълна телепортация – фокусиращият лазер носи физически частици светлина, но може да стане така в бъдеще, ако нелинейният детектор стане по-точен, мощен и ефективен.

Изследователите вярват, че едно бъдещо приложение на технологията, която са разработили, ще бъде изпращането на нашите пръстови отпечатъци до онлайн банки. Чрез телепортиране на пространствените детайли на пръстов отпечатък в квантова форма може да се създаде нечуплив и персонализиран ключ. Удобен и бърз за използване и недостъпен за хакване от измамници.

В заключение на своята работа учените пишат:

Доколкото знаем, нашият експеримент е първият, който прехвърля информация с помощта на квантови процеси. Ние предлагаме нов начин за контрол и обработка на пространствена квантова информация с помощта на нелинейни процеси. Комбинирането на напредъка в многомерния спектрално-времеви контрол и вградените нелинейни решения с пространствените степени на свобода на фотоните може да отвори нови перспективи в обработката на квантовата информация отвъд кубитите.“

Надяваме се, че този експеримент, който демонстрира осъществимостта на телепортиране на данни, базирано на фотони, ще стимулира по-нататъшен напредък в областта на нелинейната оптика, разширявайки границите на квантовата реализация на процеса на пренос на данни.


FacebooktwitterrssyoutubeFacebooktwitterrssyoutube