Téléportation dans l'exposition de la Chine. Des physiciens chinois ont mené la première téléportation quantique "orbitale" & nbsp. Il est facile de tromper ceux qui sont heureux de se tromper eux-mêmes

Un système pour préparer des états intriqués et des états transférables pour la téléportation

L'équipe du satellite de communications quantiques QUESS (alias "Mo-Tzu") a rapporté les premiers succès dans la téléportation de photons de la surface de la Terre vers l'orbite. Dans le cadre d'une expérience d'un mois, des physiciens ont réussi à téléporter 911 photons sur une distance de 500 à 1400 kilomètres. Ce sont des distances record pour la téléportation quantique. La prépublication de la recherche a été publiée sur le serveur arXiv.org, brièvement rapportée par le MIT Technology Review.

La téléportation quantique est le transfert de l'état quantique d'une particule à une autre particule sans le transfert direct de la première particule dans l'espace. Pour se téléporter, par exemple, la polarisation d'un photon nécessiterait une paire de particules intriquées quantiques. L'une des particules intriquées doit être conservée par l'émetteur de l'état quantique, et la seconde par le récepteur. Ensuite, l'émetteur mesure simultanément sur la particule transmise et l'une des particules de la paire intriquée. L'intrication quantique est arrangée de telle manière que deux particules se comportent comme un seul système - la particule intriquée au niveau du destinataire sent qu'une mesure a été faite avec sa paire et change d'état. Connaissant le résultat de la mesure du côté de l'expéditeur (il peut être envoyé via un canal normal), vous pouvez obtenir une copie exacte de la particule envoyée - directement depuis le récepteur. Vous pouvez en savoir plus à ce sujet dans notre matériel de l'alphabet quantique : "".

Auparavant, la distance de téléportation était limitée à des dizaines de kilomètres - en 2012, des physiciens autrichiens ont téléporté les états de photons entre La Palma et Tenerife (143 kilomètres). De nouveaux travaux surmontent ce jalon et l'améliorent plusieurs fois.

L'une des principales tâches de la téléportation - la distribution de photons intriqués entre l'émetteur (sur Terre) et le récepteur (satellite) - a déjà été résolue par les physiciens. Le travail de création d'une paire enchevêtrée, divisé par 1200 kilomètres, était dans le magazine il y a un mois Science... En utilisant ces paires, il ne restait plus qu'à démontrer expérimentalement la téléportation elle-même.

Schéma d'expérimentation

Ji Gang Ren et al. / arXiv.org, 2017

Dans le nouveau travail, les auteurs ont utilisé un générateur de photons intriqués installé non pas sur un satellite, mais sur Terre, à l'observatoire de Ngari (Tibet). Il a créé plus de quatre mille paires enchevêtrées par seconde, un photon de chacune envoyé par un faisceau laser à un satellite qui survolait le générateur tous les minuit. Les scientifiques ont d'abord montré que l'intrication quantique persiste entre la Terre et le satellite, puis ont téléporté la polarisation du photon. En fait, pour tester de manière fiable la téléportation, les scientifiques devaient créer non pas une, mais deux paires de photons enchevêtrés à la fois.

Les pertes les plus importantes étaient associées aux turbulences et à l'inhomogénéité de l'atmosphère terrestre. Ces effets conduisent à un élargissement du faisceau de photons intriqués et à leur diffusion, ce qui signifie que moins de particules atteignent le satellite.

Au total, 911 particules ont été téléportées avec succès - et pendant toute l'expérience, des millions de paires de photons ont été préparées et transmises. Les auteurs notent que la précision de la téléportation atteint 80% et que les pertes vont de 41 à 52 décibels (un photon sur 100 000 arrive). Si vous transmettez un signal similaire sur une fibre de 1200 kilomètres avec un niveau de perte de 0,2 décibels par kilomètre, la transmission d'au moins un photon prendra 20 fois plus de temps que la durée de vie de l'Univers.

La téléportation quantique est l'une des techniques de transmission de données importantes dans les télécommunications quantiques. Elle est nécessaire au développement d'un « Internet quantique » global avec des canaux de communication idéalement sécurisés (au niveau des lois physiques qui interdisent le clonage d'états quantiques). L'an dernier, protocoles de téléportation quantique de la physique sur des lignes urbaines à fibre optique.

Vladimir Korolev

À l'été 2016, des scientifiques chinois mèneront la première expérience au monde pour mettre en œuvre la téléportation quantique sur une distance de plus de 1200 kilomètres. Il est rapporté par Nature News.

Pour l'expérience, les scientifiques prévoient de lancer un satellite en juin 2016. Ainsi, les physiciens espèrent mettre en œuvre la téléportation quantique des états des particules entre l'espace et les stations au sol.

Dans la première étape des expériences, les scientifiques vont tester la fiabilité de la connexion cryptographique entre Pékin et Vienne, qui sera médiatisée par un satellite géocroiseur.

Dans un deuxième temps, les scientifiques réaliseront à travers un satellite une téléportation quantique de photons entre les stations de Deling et de Lijiang (ou Nanshan). La distance entre les points dépasse 1200 kilomètres.

La téléportation quantique est la transmission d'un état quantique sur une distance à l'aide d'une paire intriquée (intriquée) déconnectée dans l'espace et d'un canal de communication classique, dans lequel l'état est détruit au point de départ lors de la mesure, après quoi il est recréé au lieu de réception. Le terme a été établi grâce à un article publié en 1993 dans la revue "Physical Review Letters", qui décrit exactement ce que le phénomène quantique est proposé d'appeler "téléportation" et en quoi il diffère de la science-fiction populaire "téléportation". La téléportation quantique ne transfère ni énergie ni matière à distance. Une étape obligatoire de la téléportation quantique est le transfert d'informations entre les points de départ et de réception via un canal classique non quantique, qui ne peut pas être effectué plus rapidement que la vitesse de la lumière, sans violer ainsi les principes de la physique moderne.

Lors de la mise en œuvre de la téléportation quantique, en plus de transmettre des informations via un canal quantique, il est également nécessaire de transférer des informations supplémentaires nécessaires à la lecture d'un message via un canal classique. Pour la transmission de la "partie quantique", les corrélations Einstein-Podolsky-Rosen caractéristiques des particules intriquées quantiques sont utilisées, et tout canal de communication ordinaire convient à la transmission d'informations classiques.

Pour simplifier, considérons un système quantique avec deux états possibles \psi_1 et \psi_2 (par exemple, la projection du spin d'un électron ou d'un photon sur un axe donné). De tels systèmes sont souvent appelés qubits. Cependant, la méthode décrite ci-dessous est adaptée pour transférer l'état de tout système ayant un nombre fini d'états.

Soit l'expéditeur une particule A, qui est dans un état quantique arbitraire \ psi_A = \ alpha \ psi_1 + \ beta \ psi_2, et il veut transférer cet état quantique au récepteur, c'est-à-dire faire en sorte que le récepteur ait au l'élimination de la particule B dans le même état. En d'autres termes, vous devez transférer le rapport de deux nombres complexes \alpha et \beta (avec une précision maximale). Notez que l'objectif principal ici est de transmettre des informations non pas aussi rapidement que possible, mais aussi précisément que possible. Pour atteindre cet objectif, les étapes suivantes sont suivies.

L'expéditeur et le destinataire conviennent à l'avance de créer une paire de particules intriquées quantiques C et B, C allant à l'expéditeur et B au destinataire. Puisque ces particules sont intriquées, chacune d'elles n'a pas sa propre fonction d'onde (vecteur d'état), mais la paire entière (ou plutôt, les degrés de liberté qui nous intéressent) est décrite par un seul vecteur d'état à quatre dimensions \ psi_ (AVANT JC).

Un système quantique de particules A et C a quatre états, mais nous ne pouvons pas décrire son état avec un vecteur - seul un système de trois particules A, B, C possède un état pur (entièrement défini). a quatre issues possibles, sur un système de deux particules A et C, il reçoit l'une des 4 valeurs propres de la grandeur mesurée. Étant donné qu'au cours de cette mesure, un système de trois particules A, B, C s'effondre dans un nouvel état et que les états des particules A et C deviennent complètement connus, l'intrication est détruite et la particule B est dans un certain état quantique défini.

C'est à ce moment que se produit le « transfert » de la « partie quantique » de l'information. Cependant, il est toujours impossible de restituer l'information transmise : le destinataire sait que l'état de la particule B est en quelque sorte lié à l'état de la particule A, mais ne sait pas comment !

Pour le savoir, il faut que l'émetteur informe le récepteur via la voie classique habituelle du résultat de sa mesure (en passant deux bits correspondant à l'état lié du courant alternatif mesuré par l'émetteur). Selon les lois de la mécanique quantique, il s'avère que, ayant le résultat d'une mesure effectuée sur une paire de particules A et C, et plus une particule B intriquée avec C, le destinataire pourra effectuer la transformation nécessaire sur l'état de la particule B et restaurer l'état d'origine de la particule A.

Le transfert complet des informations n'aura lieu qu'une fois que le destinataire aura reçu les données via les deux canaux. Avant que le résultat ne soit reçu sur le canal classique, le récepteur ne peut rien dire sur l'état transmis.

Le concept fantastique de téléportation vient d'une interprétation particulière de l'expérience : « l'état initial de la particule A après que tout ce qui s'est passé est détruit. C'est-à-dire que l'État n'a pas été copié, mais déplacé d'un endroit à un autre. »

Mise en œuvre expérimentale

La mise en œuvre expérimentale de la téléportation quantique de l'état de polarisation d'un photon a été réalisée en 1997 presque simultanément par des groupes de physiciens dirigés par Anton Zeilinger (Université d'Innsbruck) et Francesco de Martini (Université de Rome).

Dans la revue Nature du 17 juin 2004, l'observation expérimentale réussie de la téléportation quantique de l'état quantique de l'atome a été annoncée par deux groupes de recherche à la fois : M. Riebe et al., Nature 429, 734-737 (téléportation de l'état quantique de l'ion calcium) et MDBarrett et al., Nature 429, 737-739 (téléportation d'un qubit basé sur l'ion béryllium). Malgré le buzz dans les médias, ces expériences peuvent difficilement être qualifiées de percées : elles ne sont plutôt qu'un autre grand pas vers la création d'ordinateurs quantiques et la mise en œuvre de la cryptographie quantique.

En 2006, la téléportation a été réalisée pour la première fois entre des objets de nature différente - quanta de rayonnement laser et atomes de césium. Une expérience réussie a été réalisée par une équipe de recherche de l'Institut Niels Bohr à Copenhague.

Le 23 janvier 2009, des scientifiques ont réussi pour la première fois à téléporter l'état quantique d'un ion d'un mètre.

Le 10 mai 2010, lors d'une expérience mise en scène par des physiciens de l'Université des sciences et technologies de Chine et de l'Université Tsinghua, l'état quantique d'un photon a été transmis sur 16 kilomètres.

En 2012, des physiciens chinois ont réussi à transmettre 1100 photons intriqués sur une distance de 97 kilomètres en 4 heures.

En septembre 2012, des physiciens de l'Université de Vienne et de l'Académie autrichienne des sciences ont établi un nouveau record de téléportation quantique - 143 kilomètres

En septembre 2015, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology des États-Unis ont réussi à téléporter des photons sur fibre optique sur une distance de plus de 100 km. Au cours de l'expérience, un détecteur monophotonique avec des câbles supraconducteurs à base de siliciure de molybdène a été utilisé à une température proche du zéro absolu.

MOSCOU, 12 juillet - RIA Novosti. Des physiciens de Shanghai ont annoncé la mise en œuvre réussie de la première téléportation quantique "spatiale", envoyant des informations sur l'état d'une particule du satellite quantique Mo Tzu à une station de suivi sur Terre, selon un article publié sur la bibliothèque électronique arXiv.org.

"Nous annonçons la première téléportation quantique de photons uniques depuis l'observatoire sur Terre vers un satellite en orbite proche de la Terre, situé à 1400 kilomètres de celui-ci. La mise en œuvre réussie de cette tâche ouvre la voie à la téléportation à ultra-longue portée et est la première pas vers la création d'un Internet quantique », écrivent Jian -Wei Pan (Jian-Wei Pan) de l'Université de Shanghai et ses collègues.

Le phénomène d'intrication quantique est au cœur de la technologie quantique moderne. Ce phénomène, en particulier, joue un rôle important dans les systèmes de communication quantique sécurisés - de tels systèmes excluent complètement la possibilité d'"écoutes clandestines" invisibles du fait que les lois de la mécanique quantique interdisent le "clonage" de l'état des particules lumineuses. À l'heure actuelle, des systèmes de communication quantique sont activement développés en Europe, en Chine et aux États-Unis.

Par dernières années Des scientifiques de Russie et de pays étrangers ont créé des dizaines de systèmes de communication quantique, dont les nœuds peuvent échanger des données sur des distances assez grandes d'environ 200 à 300 kilomètres. Toutes les tentatives d'extension de ces réseaux au niveau international et intercontinental se sont heurtées à des difficultés insurmontables liées à la manière dont la lumière est éteinte lors des déplacements à travers la fibre.

Pour cette raison, de nombreuses équipes de scientifiques ont pensé à transférer des systèmes de communication quantique au niveau « cosmique », échangeant des informations via un satellite, ce qui permet de restaurer ou de renforcer la « connexion invisible » entre photons intriqués. Le premier vaisseau spatial de ce type est déjà en orbite - il s'agit du satellite chinois Mo Tzu, lancé dans l'espace en août 2016.

Cette semaine, Pan et ses collègues ont parlé des premières expériences de téléportation quantique réussies à bord du Mo-Dzu et dans une station de communication à Ngari, au Tibet, à quatre kilomètres de haut pour communiquer avec le premier satellite quantique.

La téléportation quantique a été décrite pour la première fois théoriquement en 1993 par un groupe de physiciens dirigé par Charles Benett. Selon leur idée, des atomes ou des photons peuvent échanger des informations à n'importe quelle distance s'ils étaient « intriqués » au niveau quantique.

Pour mener à bien ce processus, un canal de communication ordinaire est nécessaire, sans lequel nous ne pouvons pas lire l'état des particules intriquées, c'est pourquoi une telle "téléportation" ne peut pas être utilisée pour transmettre des données sur des distances astronomiques. Malgré cette limitation, la téléportation quantique présente un grand intérêt pour les physiciens et les ingénieurs car elle peut être utilisée pour transférer des données dans des ordinateurs quantiques et pour crypter des données.

Guidés par cette idée, les scientifiques ont intriqué deux paires de photons dans le laboratoire de Ngari, et ont transféré l'une des quatre particules « intriquées » à bord du Mo-Dza à l'aide d'un laser. Le satellite a mesuré simultanément l'état de cette particule et d'un autre photon qui se trouvait à bord à ce moment-là, à la suite de quoi les informations sur les propriétés de la deuxième particule ont été instantanément "téléportées" sur la Terre, modifiant ainsi la façon dont le "sol" le photon, intriqué avec le premier, s'est comporté.

Au total, selon les physiciens chinois, ils ont réussi à « enchevêtrer » et à téléporter plus de 900 photons, ce qui a confirmé l'exactitude des travaux de Mo-Dza et prouvé que la téléportation quantique « orbitale » bidirectionnelle est en principe possible. De la même manière, comme le notent les scientifiques, il est possible de transmettre non seulement des photons, mais aussi des qubits, des cellules mémoire d'un ordinateur quantique et d'autres objets du monde quantique.

Ces dernières années, des scientifiques de Russie et de pays étrangers ont créé des dizaines de systèmes de communication quantique, dont les nœuds peuvent échanger des données sur des distances assez grandes, d'environ 200 à 300 kilomètres. Toutes les tentatives d'extension de ces réseaux au niveau international et intercontinental se sont heurtées à des difficultés insurmontables liées à la manière dont la lumière est éteinte lors des déplacements à travers la fibre.