О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Украина | Свидетели Иеговы
Читайте нас:
На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.72610.html

статья Телепортация на атомном уровне

Алексей Левин (Вашингтон), 17.06.2004
Реклама

Иллюстрация с сайта PhysicsWeb

Ученые из Соединенных Штатов и Австрии независимо друг от друга осуществили квантовую телепортацию одиночных атомов. Информация об этих экспериментах содержится в двух статьях, которые 17 июня появились в журнале Nature.

Когда физики говорят о телепортации, они вовсе не имеют в виду мгновенную транспортировку вещей и живых существ на далекие расстояния, о которой так много пишут авторы фантастических романов. В современном научном жаргоне этот термин означает перенос состояния одного квантового объекта на другой. Очень важно, что такой перенос происходит без каких-либо физических посредников и поэтому ничем не напоминает, скажем, ксерокопирование документов. Принципиальная возможность подобного переноса, который и получил название квантовой телепортации, была осознана в начале девяностых годов прошлого века, а несколькими годами позже его удалось осуществить и на практике. Пионерами в этом деле стали сотрудники Института экспериментальной физики Венского университета во главе с Антоном Цайлингером, которые нашли возможность телепортировать кванты света, фотоны. С тех пор аналогичные результаты были получены и в других лабораториях, так что фотонная телепортация теперь стала для физиков вполне привычным делом. Однако до сих пор еще никому не удавалось телепортировать столь тяжелые (конечно, по меркам микромира) объекты, как атомы с многонуклонными ядрами. Физики из американского Национального института стандартов и технологии добились успеха с ионами бериллия-9, а их коллеги из Университета Инсбрука работали с еще более массивными ионами кальция-40.

Поведение каждой квантовой системы, будь то фотон, элементарная частица, атом или молекула, описывается некоторым набором параметров - квантовых чисел. Такие параметры в своей совокупности обеспечивают всю полноту информации об объекте, достижимую в рамках квантовой механики. Например, одиночный электрон, свободно летящий в пустом пространстве, описывается всего двумя квантовыми числами - импульсом и спином. Для полного описания электрона, входящего в состав атома водорода, нужны уже четыре параметра: главное квантовое число, которое определяет его энергию; орбитальное квантовое число, которое задает величину углового момента электрона; магнитное квантовое число, которое характеризует ориентацию этого момента; и, наконец, опять-таки спин. Другие квантовые объекты могут требовать иных квантовых чисел, однако логика этого описания во всех случаях одна и та же.

Полный набор квантовых чисел любого квантового объекта (будем ради простоты называть его частицей) как раз и называется его состоянием. Можно сказать, что телепортация означает наделение частицы X квантовыми числами частицы Y (следует подчеркнуть, что эта операция разрушает то состояние исходной частицы, в котором она находилась до телепортации). А поскольку набор таких чисел как раз и задает все физически доступные сведения о частице, телепортация оказывается очень эффективным способом передачи информации между квантовыми объектами. Не удивительно, что этим эффектом очень интересуются разработчики квантовых компьютеров, которые рассчитывают использовать его в своих устройствах.

Все без исключение эксперименты по квантовой телепортации основаны на использовании частиц, находящихся в "спутанных" состояниях (entangled states). Этим странновато звучащим термином обозначают квантовые объекты, поведение которых настолько скоррелировано, что изменения, происходящие с одной частью системы, немедленно сказываются на состоянии другой ее части, даже если она находится в совсем иной области пространства. Другими словами, "спутанные" частицы связаны несиловым взаимодействием, скорость которого не имеет верхнего предела. Надо подчеркнуть, что это парадоксальное свойство квантовомеханических систем ни в малейшей степени не противоречит фундаментальному положению специальной теории относительности, согласно которому скорость передачи любых сигналов не может превышать скорости света.

А теперь рассмотрим принципиальную схему обоих экспериментов, и американского, и австрийского (деталями они различались). Оба научных коллектива работали с плененными в ловушках ионами, которыми они манипулировали с помощью лазерных импульсов. В этих условиях динамику каждой частицы можно было описывать с помощью лишь одного квантового параметра - спина. Величина спина у каждой частицы была одной и той же, а вот его направление могло меняться. Интересно, что каждый акт телепортации занимал лишь 4 миллисекунды, причем он осуществлялся по командам компьютера.

В первой фазе эксперимента формировалась пара двух "спутанных" ионов - назовем их А и В. На следующем этапе в игру вводился третий ион Р, состояние которого и подлежало переносу. Затем "проводилось совместное измерение состояний ионов А и Р, которые перед этим также подвергались "спутыванию"; результат этого измерения с помощью лазерных лучей переправлялся иону В. После всех этих операций ион В оказывался приблизительно в том самом состоянии, в котором первоначально находился его собрат Р. Эти стадии атомной телепортации представлены на иллюстрации.

Обложка журнала Nature Слово "приблизительно" употреблено здесь отнюдь не зря. Дело в том, что спин свежеприготовленного иона Р не смотрел ни вверх, ни вниз, а осциллировал между этими направлениями. Выражаясь формально, его исходное состояние было суперпозицией двух базисных состояний, в одном из которых вектор спина ориентирован вертикально вверх, а в другом - вертикально вниз. Такое смешанное состояние отличается сильной изначальной неопределенностью, сохранившейся и после телепортации. У австрийцев точность переноса информации с иона Р на ион В составила 75%, а у американцев - 78%. Если бы экспериментаторы не использовали "спутанные" пары частиц, то достоверность телепортации не могла бы превысить теоретически возможного максимума, равного 2/3 - 66,6 %.

Источники:

M. Riebe, H. Haffner, C. F. Roos, W. Hansel, J. Benhelm, G. P. T. Lancaster, T. W. Korber, C. Becher, F. Schmidt-Kaler, D. F. V. James & R. Blatt
Deterministic quantum teleportation with atoms
Nature 429, 734-737 (2004)

M. D. Barrett, J. Chiaverini, T. Schaetz, J. Britton, W. M. Itano, J. D. Jost, E. Knill, C. Langer, D. Leibfried, R. Ozeri & D. J. Wineland
Deterministic quantum teleportation of atomic qubits
Nature 429, 737-739 (2004)

Алексей Левин (Вашингтон), 17.06.2004


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама


Выбор читателей