Экспериментальная квантовая телепортация Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите. - презентация

1 Экспериментальная квантовая телепортация Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя «Да как же это возможно?» так как вас занесёт в тупик, из которого ещё никто не выбирался. Ричард Фейнман 31 декабря 2013 г.1

2 Телепортация. Определение. Телепортация (от греч. tele – дальность, лат. portare - переносить ) изменение координат объекта (как материального, так и нематериального), при котором траектория объекта не может быть описана математически непрерывной функцией в системе координат. 31 декабря 2013 г.2

3 Квантовая телепортация. Квантовая телепортация передача на произвольное расстояние и воссоздание состояний квантовой системы. Если разобрать эксперимент с квантовой телепортацией по сути то в нем лишь копируются свойства частицы А (к примеру значение спина) на точно такую же частицу Б, находящуюся в некотором удалении. Исходя из принципа неопределённости Гейзенберга, для того, чтобы телепортировать частицу не нужно узнавать все её свойства. 31 декабря 2013 г.3

4 Принцип неопределенности Гейзенберга. Принцип Гейзенберга гласит: невозможно одинаково точно измерить сразу 2 характеристики квантовой системы. Беннет предположил, что можно передавать квантовое состояние частицы др у гой частице даже при отсутствии информации о её состоянии в момент преобразования. Это требование может быть выполнено с помощью запутанности. 31 декабря 2013 г.4

5 Квантовая запутанность Квантовая запутанность - явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Запутанность описывает взаимосвязь (корреляцию) между квантовыми системами, которая гораздо сильнее, чем корреляция, рассчитанная по классическим законам. Если два электрона спутаны, то их связь не зависит ни от времени ни от их расстояния друг от друга 31 декабря 2013 г.5

6 Квантовое состояние частиц. Пусть частица находится в квантовом состоянии, фотон может быть поляризован либо горизонтально, либо вертикально, частица может иметь суперпозицию этих поляризаций:,где α и β – два комплексных числа, удовлетворяющих условию: 31 декабря 2013 г.6

7 Пример: У Алисы есть частица в состоянии, и она хочет, чтобы частица Боба, находящегося далеко от нее, приобрела то же состояние. Никакие измерения Алисы над не могут быть достаточными для воспроизведения состояния частицы Бобом (3й постулат). Беннет заметил, постулат дает возможность телепортировать от Алисы к Бобу. В то время, как Алиса уничтожит квантовое состояние, Боб получит это квантовое состояние, однако ни Алиса, ни Боб не будут обладать информацией о состоянии 31 декабря 2013 г.7

8 Пусть у Алисы есть частица 1 состоянии и частица 2. Частица 2 связана с частицей 3, находящейся у Боба. Проводятся измерения над связанными частицами, чтобы получить следующее состояние: - это одно из 4х возможных состояний, при котором может быть определено каждое состояние отдельных частиц. 31 декабря 2013 г.8 Пример:

9 Проецируем частицы 1 и 2 в состояние, то есть частица 2 – противоположна частице 1, но частицы 2 и 3 изначально приведены в состояние, то есть частица 2 противоположна частице 3. То есть 1 и 3 идентичны. Схематичный рисунок: 31 декабря 2013 г.9 Пример:

10 Неравенства Белла Неравенства Белла показывают, что как при наличии скрытого параметра частицы, который влияет на любые её свойства, так и при его отсутствии, можно провести эксперимент, результаты которого подтвердят или опровергнут наличие скрытых параметров. Если состояния двух запутанных частиц определены в момент разделения, то должно выполняться одно неравенство Белла. Если состояния двух запутанных частиц не определены до измерения состояния одной из них, то должно выполняться другое неравенство. 31 декабря 2013 г.10

11 Вид неравенства Белла Пусть имеется объект, характеризующийся тремя величинами: A, B и C, принимающими два значения, которые мы обозначим как + и –. Предположим, что этот объект может обладать этими тремя величинами одновременно (как свойствами). N(A + B - )

12 Неравенства Белла Для проверки неравенств Белла были поставлены эксперименты. Выполнение этих неравенств было проверено различными группами ученых. Первый результат был опубликован Аленом Аспе с соавторами. Оказалось, что неравенства Белла нарушаются, то есть свойства, обнаруженные при измерении, могут вообще не существовать до измерения. 31 декабря 2013 г.12

13 Зачем необходим классический канал связи? Полное измерение по базису Белла не только дает знание, что частицы 1 и 2 находятся в антисимметричном состоянии, но и дает вероятность в 25%, что мы сможем найти частицы в таких отношениях в трех других связанных состояниях. Когда это происходит, частица 3 остается в одном из трех состояний. Она может быть приведена Бобом в состояние частицы 1 с помощью соответственно выбранной трансформации, после получения по классическому каналу связи информации о состоянии Белла, измеренном Алисой. 31 декабря 2013 г.13

14 Теорема о запрете клонирования – доказанное утверждение квантовой теории о невозможности создания идеальной копии произвольного неизвестного квантового состояния. Телепортация избежала попадания под действие этой теоремы, т.к. не выявляется информация ни об одной частице. После телепортации частица 1 больше не доступна в своем начальном состоянии, частица 3 не клон, а результат телепортации. 31 декабря 2013 г.14

15 Будут ли закономерности работать для другой поляризации? Основа для состояний поляризации имеет всего два компонента, и в принципе мы могли бы выбрать в качестве этой основы горизонтальную или вертикальную поляризацию, как излученную источником. Телепортация работает для любой общей суперпозиции. 31 декабря 2013 г.15

16 Почему телепортация. Передача квантовой информации между частицами 1 и 3 происходит на сколь угодно больших расстояниях, откуда и название "телепортация". Также для телепортации вовсе не обязательно, чтобы Алиса знала, где находится Боб. Более того, начальное состояние частицы 1 может быть неизвестно Алисе, никому неизвестно. 31 декабря 2013 г.16

17 Сложности: Малая вероятность успеха Возрастающая сложность при переходе от частиц к атомам Сложность экспериментальной реализации 31 декабря 2013 г.17

18 Сложности реализации В способах получения спутанных фотонов на данный момент есть несколько недочетов: Не возможно сказать сколько фотонов будет спутанно. Получить спутанные фотоны получается 1 раз из 100. Так же сложно привести свойства телепортируемого фотона к свойствам одного из спутанных фотонов, что необходимо для телепортации. 31 декабря 2013 г.18

19 Зачем телепортировать? Углубление познаний в сфере квантовой физике Новые виды каналов связи Появление квантовых компьютеров Новые способы защиты передаваемой информации 31 декабря 2013 г.19

20 Квантовые компьютеры Квантовый компьютер вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность. 31 декабря 2013 г.20

21 Кубиты В квантовом компьютере аналогом бита является кубит (квантовый бит), который благодаря принципу суперпозиции находится в двух состояниях одновременно. Как в классических, так и в квантовых компьютерах биты или кубиты объединены в последовательности – регистры. В регистре размером N кубитов одновременно «живут» все возможные 2 n значений. 31 декабря 2013 г.21

22 Квантовые сети Отметим, что идея квантовых сетей активно стала обсуждаться после успешных экспериментов по квантовой телепортации. Когда две компании (одна из Швейцарии, «idQuantique», а другая из США, «MagiQTech»') сделали реальные устройства коммуникации, основанные на правилах квантовой механики, стали активно исследоваться и разрабатываться квантовые сети коммуникации. Исследования квантовых сетей связаны с исследованиями в области квантовой криптографии. 31 декабря 2013 г.22

23 Квантовая криптография Квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики. Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами. Подслушивание может рассматриваться, как измерение определённых параметров физических объектов, что можно отследить. 31 декабря 2013 г.23

24 Пример криптографии Сторона А посылает последовательность фотонов, имеющих случайную (0°, 45°, 90°, 135°) поляризацию; Сторона Б измеряет поляризацию фотонов, выбирая базис "+" или "×" по случайному закону; Сторона Б фиксирует полученные результаты измерений, сохраняя их в секрете ; Сторона Б сообщает затем стороне А по открытому каналу, какие базисы она использовала для каждого принятого фотона, а сторона А отвечает, какие базисы из использованных были правильными; Оставшиеся данные интерпретируются в соответствии с условленной схемой как двоичная последовательность. 31 декабря 2013 г.24

25 Презентацию подготовили: Дерябин Иван, 1950 Ильина Анна, 1950 Козырева Ольга, 1950 Калякин Вячеслав, 1950 Марченко Михаил, декабря 2013 г.25 Спасибо за внимание!