Квантовая телепортация

Ква́нтовая телепорта́ция — возможность мгновенной передачи состояния с одной частицы на другую независимо от того, как далеко друг от друга они находятся. Обязательным условием для проведения квантовой телепортации является наличие набора одинаковых атомов в точке отправления состояния и в точки получения состояния. То есть квантовая телепортация не имеет ничего общего с материальным перемещением объекта.

Парадокс ЭПР

В 1935 году Альберт Эйнштейн вместе с коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном выдвинул идею эксперимента, предусматривавшего телепортацию не столько самого вещества, сколько содержащейся в нём информации. Данный метод мгновенного распространения сигналов получил известность как «парадокс ЭПР».

Квантовая телепортация подразумевает процедуру переноса квантового состояния одного объекта на другой посредством сочетания двух каналов: классического и квантового. Термином «квантовый канал» обозначается пара квантово-запутанных частиц. Классический канал служит для передачи результатов измерений, выполненных на передающем конце, включающих частицу-переносчик начального состояния и вторую половину запутанной пары. При этом изначальное состояние первой частицы неизбежно претерпевает изменения. Получив по классическому каналу информацию о проведённых на передатчике действиях, принимающая сторона осуществляет аналогичные манипуляции со своей частью запутанной пары, приводя её в нужное состояние. Хотя запутанные частицы демонстрируют постоянные взаимосвязи, непосредственного перемещения состояния или характеристик частицы не происходит; мгновенно не передаются ни энергия, ни информация. Понятие «телепортация» отражает процесс копирования состояния одной частицы на другую с одновременным разрушением первоначального состояния первой.

Основополагающим аспектом является то обстоятельство, что непосредственно квантовое состояние телепортируемого объекта не транслируется по классическим линиям связи между источником и приёмником; передаётся лишь итог измерения, на основании которого адресат воздействует на свою половинку запутанной пары, восстанавливая транспортируемое состояние. Таким образом, механизм квантовой телепортации не вступает в противоречие с законом причинности, поскольку финальная передача данных осуществляется с использованием классического канала связи, гарантирующего невозможность доставки информации быстрее световой скорости. При этом имеются классические объекты, обладающие схожими коррелированными характеристиками, например, солитоны, изучаемые в настоящей статье. Их особенность состоит в сохранении собственных свойств при измерении, что допускает сравнение с процессом клонирования, а не телепортации.

Многофотонная квантовая телепортация

Феномен многочастичной запутанности крайне сложен для воспроизведения в лаборатории, однако важен для ряда практических применений. Современные квантовые компьютеры используют большие криогенные установки для поддержки таких состояний. Часто забывают, что квантовая запутанность сама по себе не нуждается в особых условиях. Любая случайная комбинация фотонов может быть выражена конечным набором базисных состояний запутанности, соответствующих количеству частиц. Добавляя новый фотон в систему, размер базиса растёт экспоненциально (k=4^n). Даже простая поляризационная суперпозиция одиночного фотона рассматривается как элементарная форма запутанности. Телепортация означает выбор определённого состояния из общей суперпозиции, сохраняя при этом остальные компоненты. Эти коэффициенты являются объективной характеристикой системы, независимой от способов измерения. Изменение описания системы происходит локально, без необходимости физического взаимодействия между частями. Поиск дальнодействующих взаимодействий становится необязательным, так как процессы протекают автономно внутри самой системы.

В квантовых вычислениях, напротив, изменение описания играет решающую роль, поскольку само вычисление представляет собой преобразование исходного описания в желаемую форму. Обычно квантовые расчёты начинают с подготовки запутанного состояния множества кубитов, которое должно поддерживаться стабильным какое-то время, достаточное для воздействия логических операций и последующего развития. Универсальная природа суперпозиций разных форм запутанности, выявленная в опытах по многофотонной телепортации, даёт надёжду на возможность изменить последовательность действий: сначала применить логические операции к каждой отдельной составляющей суперпозиции, а лишь потом разделить полученный результат по различным типам запутанности.

Квантовая телепортация на основе модели запутанности

Чтобы описать квантовую телепортацию, используя модель запутанных солитонов, введём вспомогательную комплексную вектор-функцию, где константа задана условием нормировки. Случайное представление одночастичной волновой функции выражается как линейная комбинация функций. Индекс охватывает множество всех независимых опытов, общее количество которых N должно быть значительным согласно частотному предположению фон Мизеса. Дальше перейдём к процедуре измерения физической величины A, основываясь на теореме Нётер и связях с оператором группы симметрий M4. К примеру, компонент импульса P ассоциируется с оператором пространственных сдвигов, в то время как угловое вращение L связано с поворотом системы отсчёта. Рассматривая наблюдение над тремя координатами солитонной частицы в испытании, приходим к стандартной формуле среднего значения физической величины.

Аналогичным образом подобные соотношения применимы и к нашим одномерным солитонам. Далее предложенный нами метод запутанных солитонов подходит для моделирования поведения реальных фотонов. Исследуя проблему нелокальных корреляций запутанных состояний между двумя наблюдателями A и B, мы видим, что будто информация мгновенно передаётся от A к B. Однако, поскольку измеренные корреляции обусловлены взаимодействием запутанных квантовых состояний, правильнее утверждать отсутствие мгновенной связи или передачи сигнала быстрее светового предела.

Рассмотрим мысленный эксперимент классической аналогии квантовой телепортации поляризационного состояния бифотонов. Пусть имеем ситуацию, подобную запутанным солитонам, находящимся в согласованных состояниях в точках A и B. Если наблюдатель в точке A фиксирует состояние своего фотона, оно совпадает с состоянием второго фотона в точке B с ненулевым значением коэффициента корреляции, отражающим связь результатов измерений в обеих точках. Совпадение информации возможно лишь при условии, что обе стороны проведут измерения одновременно над спутанными фотонами (солитонами). Для достижения идеальной корреляции наблюдателю A необходимо передать наблюдателю B выбор конкретного фотона (солитона). Таким образом, измерения поляризации фотонов (солитонов) в двух точках неизменно будут демонстрировать взаимосвязанность, даже если сами фотоны различны, но имеют одинаковые характеристики поляризации.

Использование технологий

Современные компьютеры демонстрируют хорошие результаты при обработке больших объёмов данных, извлекая из них закономерности и полезные сведения. Однако традиционные методы оказываются бессильны, когда недостаток или избыток информации препятствует выявлению чётких взаимосвязей. Решением здесь выступают квантовые вычислительные системы, многократно доказавшие своё преимущество перед классическими аналогами.

схема квантовой телепортации

Особенно перспективны квантовые вычисления в химической отрасли, где традиционные подходы неспособны точно смоделировать квантовые состояния даже простых молекул ввиду огромного их многообразия. Уже сейчас корпорации наподобие IBM разрабатывают способы моделирования химических процессов с применением квантовых процессоров. В долгосрочной перспективе квантовые компьютеры позволят создавать модели сложных молекул и детально прогнозировать их свойства.

При разработке новых лекарственных препаратов квантовые технологии станут незаменимым инструментом, позволяя имитировать сложные молекулярные взаимодействия и химические процессы. Их потенциал раскроется и в глобальных логистических системах, помогая эффективно выстраивать маршруты доставки в пиковые сезоны, такие как праздники. Финансовый сектор сможет воспользоваться преимуществами квантового подхода для точного моделирования рынков и минимизации рисков вложений.

Также возможно использование квантовых компьютеров для обработки огромных объёмов данных с привлечением продвинутых форм ИИ, что облегчит поиск нужных изображений и видеозаписей. Дополнительно квантовые алгоритмы обеспечат повышенную защищённость облачных сервисов и конфиденциальных сведений, используя уникальные особенности квантовой механики.

Экспериментальный прототип

В 2023 году физики Европы представили рабочий образец квантового повторителя, сумевшего обеспечить передачу квантовой запутанности через промежуточный пункт на дистанцию в 50 километров. Это событие демонстрирует переход технологии квантовых повторителей из стадии теоретических разработок в область практических реализаций.

Центральным компонентом таких систем выступает квантовая память — инновационная технология, предназначенная для временного хранения квантовых состояний. Современный уровень позволяет сохранять подобные состояния в пределах от миллисекунд до часов, однако для этого требуются особые условия, такие как поддержание температуры вблизи абсолютного нуля.