Физики выдвинули предложение использовать известную науке квантовую телепортацию для создания телескопов – интерферометров. Согласно их утверждению, современные технологии позволяют реализовать подобные устройства с размерами до 30 километров. В настоящее время диаметр крупнейших сплошных зеркал оптических телескопов составляет около 10 метров. В ближайшие годы планируется запуск обсерваторий нового поколения, оснащенных телескопами диаметром в несколько десятков метров. Однако существует альтернативный метод создания крупных телескопов, не требующий изготовления гигантских зеркал. Интерферометры – устройства, использующие фотоны, собираемые парами небольших установок, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.
Проводя наблюдения с различными интервалами между телескопами, можно получить изображение объекта с разрешением, сопоставимым с разрешением телескопа, имеющего зеркало диаметром, равным максимальному расстоянию между установками.
Данный подход широко применяется в радиоастрономии, но реже – в оптической. Крупнейшим оптическим интерферометром является американский инструмент CHARA, позволивший сделать ряд научных открытий, в том числе обнаружить пятна на другой звезде и непосредственно измерить диаметр экзопланеты.
При создании подобных устройств часто возникает проблема — фотоны теряются при движении от телескопов к центральному интерферометру. Из-за этого подобные телескопы могут наблюдать лишь самые яркие объекты. Несколько лет назад ученые предложили использовать в работе таких телескопов квантовую телепортацию — явление передачи квантового состояния при помощи запутанных частиц. Для этого в каждом телескопе нужно непрерывно создавать пары запутанных частиц, например, фотонов. Один из них должен направляться в центральный интерферометр, а второй — оставаться у телескопа. Во время наблюдений получаемый из космоса фотон особым образом взаимодействует с хранящимся в телескопе. Это меняет состояние ушедшего в интерферометр на такое же, какое было у фотона, пришедшего из космоса, и, таким образом, позволяет «увидеть» нужный астрономический объект.
По оценкам астрономов, во время применения этой технологии для телескопа CHARA нужно будет создать порядка 1011 пар запутанных частиц в секунду. На текущем уровне развития техники это невозможно. В новой работе американские физики усовершенствовали схему интерферометра с квантовой телепортацией, добавив в нее специальные блоки квантовой памяти. Это уменьшило необходимое количество запутанных пар на семь порядков.
Подобные устройства разрабатываются для того, чтобы развивать такие технологии, как квантовый Интернет, но «квантовый телескоп» гораздо более требователен именно в плане необходимой частоты генерации запутанных частиц. В результате авторы приходят к выводу, что уже сегодня возможно реализовать проект оптического интерферометра с базой в 30 километров. Подобный телескоп будет получать изображения рекордного качества, которые намного превосходят результат существующих и планируемых приборов. Более того, дальнейшее развитие квантовых технологий приведет к тому, что можно будет создавать еще более крупные установки, возможно, даже размером с диаметр Земли или больше.
Вступаем ли мы в эру квантовых телескопов?
В последние годы ученые исследовали возможность использования квантовых принципов для создания астрономии следующего поколения. Основная идея заключается в том, что фотоны могут передаваться между обсерваториями без физических соединений, которые являются дорогостоящими в строительстве и обслуживании.
Для астрономов одной из самых больших проблем является получение изображений объектов и явлений, которые трудно увидеть с помощью оптических телескопов (или в видимом свете). Эта проблема была в значительной степени решена с помощью интерферометрии, метода, при котором несколько телескопов собирают свет, который затем объединяется для создания более полной картины. Примерами могут служить телескоп Event Horizon, который использует обсерватории со всего мира для получения первых изображений сверхмассивной черной дыры (SMBH) в центре галактики M87 и Стрельца A* в центре Млечного Пути.
При этом классическая интерферометрия требует поддержания оптической связи между обсерваториями, что накладывает ограничения и может привести к резкому увеличению затрат. В недавнем исследовании команда астрофизиков и физиков-теоретиков предложила, как эти ограничения можно преодолеть, полагаясь на квантовую механику. Вместо того чтобы полагаться на оптические каналы связи, они предлагают способ, при котором принцип квантовых запутанностей можно было бы использовать для обмена фотонами между обсерваториями. Этот метод является частью растущей области исследований, которая когда-нибудь может привести к созданию «квантовых телескопов».
Исследование было проведено исследователями из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) и Университета Стоуни Брук в Нью-Йорке, штат Нью-Йорк. Дополнительную поддержку оказал Стивен Винцкевич, физик-теоретик и независимый исследователь, в настоящее время базирующийся в Объединенных Арабских Эмиратах. Статья, описывающая их выводы, недавно появилась в Интернете и проходит рецензирование для публикации в научном журнале Optica.
В классической интерферометрии Майкельсона пучок света разделяется таким образом, что один луч попадает на неподвижное зеркало, а другой — на подвижное зеркало. Интерференционная картина создается, когда отраженные лучи снова объединяются. Для целей астрономии два луча собираются двумя телескопами, которые разделены некоторым расстоянием (называемым базовой интерферометрией). Но, несмотря на свою эффективность, классическая интерферометрия подвержена некоторым ограничениям.
Андрей Номероцкий, астрофизик из BNL и соавтор статьи, объяснил Universe Today по электронной почте: «Интерферометрия — это способ увеличить эффективную апертуру телескопов и улучшить угловое разрешение или астрометрическую точность. Главная трудность здесь заключается в поддержании стабильности этого оптического тракта с очень высокой точностью, которая должна быть намного меньше длины волны фотона, чтобы сохранить фазу фотона. Это ограничивает практические исходные линии несколькими сотнями метров».
В последние годы ученые исследовали возможность использования квантовых принципов для создания астрономии следующего поколения. Основная идея заключается в том, что фотоны могут передаваться между обсерваториями без физических соединений, которые являются дорогостоящими в строительстве и обслуживании. Ключ в том, чтобы воспользоваться преимуществами квантовой запутанности — явления, при котором частицы взаимодействуют и находятся в одном и том же квантовом состоянии, несмотря на то, что их разделяет значительное расстояние. Квантовые телескопы были первоначально предложены исследователями Дэниелом Готтесманом, Томасом Дженневейном и Сарой Кроук из Института теоретической физики Периметра и Института квантовых вычислений при Университете Ватерлоо.
«Предложение состояло в том, чтобы использовать источник запутанных фотонов и использовать корреляции количества фотонов на двух станциях и, следовательно, в основном устранить проблему стабильности фазы фотонов. Интерферометры интенсивности используются для измерения диаметров звезд с использованием метода, основанного на эффекте сгущения фотонов Хэнбери Брауна-Твисса. В нашей схеме мы используем тот же эффект, только его фазозависимую часть, для измерения угла раскрытия между двумя звездами, которые теперь могут быть разделены значительным углом. С другой стороны, сказал Номероцкий, вторую звезду также можно рассматривать как источник когерентных фотонов для первой звезды, отсюда и ссылка на предложение Готтесмана-Дженневейна-Кроука».
По словам Номеротски, в настоящее время команда разрабатывает физическое описание, которое включало бы оба варианта. Это можно было бы обобщить на несколько станций и квантовые протоколы для обработки квантовой информации в «зашумленной» среде. Чтобы проверить свою концепцию, команда создала настольную версию двухфотонного интерферометра, который использовал узкую спектральную линию в двух аргоновых лампах (для имитации двух звезд). Как они и предсказывали, основываясь на предыдущих теоретических исследованиях, команда отметила пики эффекта группировки фотонов Хэнбери-Брауна-Твисса и корреляции каналов и измерила его зависимость от фазы фотона.
Главным преимуществом этого метода является улучшенное угловое разрешение (способность различать детали в объектах) в телескопах. Но, как объяснил Номероцкий, долгосрочные выгоды могут быть неизмеримыми: «Может возникнуть множество научных возможностей, которые выиграют от существенного повышения астрометрической точности. Просто перечислим некоторые из них: проверка теорий гравитации путем прямого отображения аккреционных дисков черных дыр, точного параллакса и лестницы космических расстояний, картирование событий микролинзирования, экзопланет, специфических движений, темной материи и других.
Конечно, все это довольно долгосрочно и потребует демонстраций подтверждения принципа и, что важно, повышения чувствительности по сравнению с тем, что достижимо сейчас. Эти улучшения основаны на прогрессе в разработке квантовых сетей и квантовых ретрансляторов, как в первоначальном предложении GJC. В настоящее время многие из этих разработок разрабатываются компаниями для совершенно других целей, и достигнут значительный прогресс, так что это может стать реальностью в обозримом будущем».
Это предложение по двухфотонной интерферометрии является одним из многих предложений по квантовым телескопам за последние годы. Другие примеры включают предложение команды Массачусетского технологического института объединить интерферометрию с квантовой телепортацией, чтобы резко увеличить разрешение обсерваторий (без использования зеркал большего размера). Существует также более свежая идея объединения стимулированного рамановского адиабатического прохождения и предварительно распределенной запутанности для создания виртуального телескопа интерферометрии с очень длинной базовой линией размером с планету Земля.
Эти квантовые методы могли бы позволить проводить наблюдения на ранее недоступных длинах волн и более детально изучать черные дыры, экзопланеты, Солнечную систему и поверхности далеких звезд. И по мере продолжения усилий по совершенствованию технологии, лежащей в основе квантовых вычислений, приложения, несомненно, будут распространяться на другие области исследований (например, квантовую астрономию).
Справка:
Квантовая телепортация — это телепортирование не физических объектов, не энергии, а состояния. Но в данном случае состояния передаются таким образом, каким в классическом представлении это сделать невозможно. Как правило, для передачи информации о каком-то объекте требуется большое количество всесторонних измерений. Но они разрушают квантовое состояние, и у нас нет возможности повторно его измерить. Квантовая телепортация используется для того, чтобы передать, перенести некое состояние, обладая минимальной информацией о нем, не «заглядывая» в него, не измеряя и тем самым не нарушая.
Кубиты
Кубит — это и есть состояние, которое передается при квантовой телепортации. Квантовый бит находится в суперпозиции двух состояний. Классическое состояние находится, например, либо в состоянии 0, либо в состоянии 1. Квантовое находится в суперпозиции, и, что очень важно, пока мы его не измерим, оно не будет определено. Представим себе, что у нас был кубит на 30% — 0 и на 70% — 1. Если мы его измерим, мы можем получить как 0, так и 1. За одно измерение нельзя ничего сказать. Но если приготовить 100, 1000 таких одинаковых состояний и раз за разом их измерять, мы можем достаточно точно охарактеризовать это состояние и понять, что действительно там было 30% — 0 и 70% — 1.
Это пример получения информации классическим способом. Получив большое количество данных, адресат может воссоздать это состояние. Однако квантовая механика позволяет не готовить много состояний. Представим себе, что оно у нас есть только одно, уникальное, а второго такого нет. Тогда в классике передать его уже не получится. Физически, напрямую, это тоже не всегда возможно. А в квантовой механике мы можем использовать эффект запутанности.
Мы также используем явление квантовой нелокальности, то есть явление, которое невозможно в привычном для нас мире, для того чтобы здесь это состояние исчезло, а там появилось. Причем самое интересное, что применительно к тем же квантовым объектам существует теорема о неклонировании. То есть невозможно создать второе идентичное состояние. Надо уничтожить одно, чтобы появилось другое.
Квантовая запутанность
Что такое эффект запутанности? Это особым образом приготовленные два состояния, два квантовых объекта — кубита. Для простоты можно взять фотоны. Если эти фотоны разнести на большое расстояние, они будут коррелировать между собой. Что это значит? Представим себе, что у нас один фотон синий, а другой зеленый. Если мы их разнесли, посмотрели и у меня оказался синий, значит, у вас оказался зеленый, и наоборот. Или если взять коробку обуви, где есть правый и левый ботинок, незаметно их вытащить и в мешке отнести один ботинок вам, другой мне. Вот я открыл мешок, смотрю: у меня правый. Значит, у вас точно левый.
Квантовый случай отличается тем, что состояние, которое пришло ко мне до измерения, не синее и не зеленое — оно в суперпозиции синего и зеленого. После того как вы разделили ботинки, результат уже предопределен. Пока мешки несут, пока их еще не открыли, но уже точно понятно, что там будет. А пока квантовые объекты не измерены, еще ничего не решилось.
Если взять не цвет, а поляризацию, то есть направление колебаний электрического поля, можно выделить два варианта: вертикальная и горизонтальная поляризация и +45° — -45°. Если сложить вместе в равной пропорции горизонтальную и вертикальную, то получится +45°, если вычесть одну из другой, то -45°. Теперь представим, что точно так же один фотон попал ко мне, а другой к вам. Я посмотрел: он вертикальный. Значит, у вас горизонтальный. Теперь представим, что я увидел вертикальный, а вы посмотрели его в диагональном базисе, то есть посмотрели — он +45° или -45°, вы увидите с равной вероятностью тот ли иной исход. Но если я посмотрел в диагональном базисе и увидел +45°, то точно знаю, что у вас -45°.
Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена
Но на самом деле теорию относительности это не нарушает, потому что информацию с помощью этого эффекта мы передать все равно не можем. Измеряется либо вертикальный, либо горизонтальный фотон. Но неизвестно заранее, какой именно он будет. Несмотря на то что нельзя передавать информацию быстрей скорости света, запутанность позволяет реализовать протокол квантовой телепортации. В чем он заключается? Рождается запутанная пара фотонов. Одна направляется к передатчику, другая — к приемнику. Передатчик производит совместное измерение целевого фотона, который он должен передать. И с вероятностью ¼ он получит результат OK. Он может сообщить об этом получателю, и получатель в этот момент узнает, что у него точно такое же состояние, как было у передатчика. А с вероятностью ¾ он получает другой результат — не то чтобы неуспешное измерение, а просто другой результат. Но в любом случае это полезная информация, которую можно передать получателю. Получатель в трех из четырех случаев должен произвести дополнительный поворот своего кубита, чтобы получить передаваемое состояние. То есть передается 2 бита информации, и при помощи них можно телепортировать сложное состояние, которое ими закодировать нельзя.
Квантовая криптография
Одна из главных сфер применения квантовой телепортации — это так называемая квантовая криптография. Идея этой технологии заключается в том, что одиночный фотон невозможно клонировать. Следовательно, мы можем передавать информацию в этом одиночном фотоне, и никто не сможет ее продублировать. Более того, при любой попытке кем-то узнать что-то об этой информации состояние фотона изменится или разрушится. Соответственно, любая попытка получить эту информацию посторонним будет замечена. Это можно использовать в криптографии, в защите информации. Правда, передается не полезная информация, а ключ, которым потом уже классически возможно абсолютно надежно передавать информацию.
У этой технологии есть один большой недостаток. Дело в том, что, как мы уже раньше говорили, создать копию фотона невозможно. Обычный сигнал в оптоволокне можно усилить. Для квантового случая усилить сигнал невозможно, так как усиление будет эквивалентно некоторому перехватчику. В реальной жизни, в реальных линиях передача ограничена расстоянием приблизительно до 100 километров. В 2016 году Российским квантовым центром была проведена демонстрация на линиях Газпромбанка, где показали квантовую криптографию на 30 километрах волокна в городских условиях.
В лаборатории мы способны показывать квантовую телепортацию на расстоянии до 327 километров. Но, к сожалению, большие расстояния непрактичны, потому что фотоны теряются в волокне и скорость получается очень низкая. Что делать? Можно поставить промежуточный сервер, который будет получать информацию, расшифровывать, потом снова зашифровывать и передавать дальше. Так делают, например, китайцы при строительстве своей сети квантовой криптографии. Такой же подход используют и американцы.
Квантовая телепортация в данном случае — это новый метод, который позволяет решить задачу квантовой криптографии и увеличить расстояние до тысяч километров. И в этом случае тот самый фотон, который передается, многократно телепортируется. Над этой задачей работает множество групп во всем мире.
Квантовая память
Представим себе цепочку телепортаций. В каждом из звеньев есть генератор запутанных пар, который должен их создавать и распределять. Это не всегда удачно происходит. Иногда нужно ждать, пока успешно произойдет очередная попытка распределения пар. И у кубита должно быть какое-то место, где он подождет телепортации. Это и есть квантовая память.
В квантовой криптографии это своего рода промежуточная станция. Называются такие станции квантовыми повторителями, и они сейчас являются одним из основных направлений для исследований и экспериментов. Это популярная тема, в начале 2010-х повторители были очень отдаленной перспективой, но сейчас задача выглядит реализуемой. Во многом потому, что техника постоянно развивается, в том числе за счет телекоммуникационных стандартов.
Ход эксперимента в лаборатории
Если вы придете в лабораторию квантовых коммуникаций, то вы увидите много электроники и волоконную оптику. Вся оптика стандартная, телекоммуникационная, лазеры в маленьких стандартных коробочках — чипах. Если вы зайдете в лабораторию Александра Львовского, где, в частности, делают телепортацию, то вы увидите оптический стол, который стабилизирован на пневмоопорах. То есть если этот стол, который весит тонну, потрогать пальцем, то он начнет плавать, покачиваться. Это сделано по причине того, что техника, которая реализует квантовые протоколы, очень чувствительна. Если вы поставите на жесткие ножки и будете ходить вокруг, то это все будет по колебаниям стола. То есть это открытая оптика, достаточно большие дорогие лазеры. В целом это достаточно громоздкое оборудование.
Исходное состояние готовится лазером. Для подготовки запутанных состояний используется нелинейный кристалл, который накачивается импульсным или непрерывным лазером. За счет нелинейных эффектов рождаются пары фотонов. Представим себе, что у нас есть фотон энергии два — ℏ(2ω), он преобразуется в два фотона энергии один — ℏω+ ℏω. Эти фотоны рождаются только вместе, не может сначала отделиться один фотон, потом другой. И они связаны (запутаны) и проявляют неклассические корреляции.
История и актуальные исследования
Итак, в случае квантовой телепортации наблюдается эффект, который в ежедневной жизни мы наблюдать не можем. Но зато был очень красивый, фантастический образ, который как нельзя кстати подходил для описания этого явления, поэтому и назвали так — квантовая телепортация. Как уже было сказано, нет момента времени, когда здесь кубит еще существует, а там он уже появился. То есть сначала здесь уничтожено, а только потом там появляется. Это и есть та самая телепортация.
Квантовая телепортация была предложена теоретически в 1993 году группой американских ученых под руководством Чарльза Беннета — тогда и появился этот термин. Первая экспериментальная реализация была проведена в 1997 году сразу двумя группами физиков в Инсбруке и Риме. Постепенно ученым удавалось передавать состояния на все большее расстояние — от одного метра до сотен километров и более.
Сейчас люди пытаются делать эксперименты, которые, возможно, в будущем станут основой для квантовых повторителей. Ожидается, что спустя 5–10 лет мы увидим реальные квантовые повторители. Развивается и направление передачи состояния между объектами разной природы, в том числе в мае 2016 года была проведена гибридная квантовая телепортация в Квантовом центре, в лаборатории Александра Львовского. Теория тоже не стоит на месте. В том же Квантовом центре под руководством Алексея Федорова разрабатывается протокол телепортации уже не в одну сторону, а двунаправленный, чтобы с помощью одной пары сразу одновременно навстречу друг другу телепортировать состояния.
В рамках нашей работы над квантовой криптографией создается квантовое устройство распределения и ключа, то есть мы генерируем ключ, который невозможно перехватить. А дальше уже пользователь может зашифровать этим ключом информацию, используя так называемый одноразовый блокнот. Новые преимущества квантовых технологий должны раскрыться в ближайшее десятилетие. Развивается создание квантовых сенсоров. Их суть в том, что за счет квантовых эффектов мы можем гораздо точнее измерять, например, магнитное поле, температуру. То есть берутся так называемые NV-центры в алмазах — это крошечные алмазы, в них есть азотные дефекты, которые ведут себя квантовые объекты. Они очень похожи на замороженный одиночный атом. Смотря на этот дефект, можно наблюдать изменения температуры, причем и внутри одиночной клетки. То есть измерить не просто температуру под мышкой, а температуру органеллы внутри клетки.
В Российском квантовом центре также есть проект спинового диода. Идея такова, что мы можем взять антенну и начать очень эффективно собирать энергию из фоновых радиоволн. Достаточно вспомнить, сколько Wi-Fi-источников сейчас в городах, чтобы понять, что энергии радиоволн вокруг очень много. Ее можно использовать для носимых датчиков (например, для датчика уровня сахара в крови). Для них нужна постоянная энергетическая подпитка: либо батарейка, либо такая система, которая собирает энергию, в том числе от мобильного телефона. То есть, с одной стороны, эти задачи можно решать с существующей элементной базой с определенным качеством, а с другой стороны, можно применить квантовые технологии и решить эту задачу еще лучше, еще более миниатюрно.
Квантовая механика очень сильно изменила человеческую жизнь. Полупроводники, атомная бомба, атомная энергетика — это все объекты, работающие благодаря ей. Весь мир сейчас бьется над тем, чтобы начать управлять квантовыми свойствами одиночных частиц, в том числе запутанных. Например, в телепортации участвуют три частицы: одна пара и целевая. Но каждая из них управляется отдельно. Индивидуальное управление элементарными частицами открывает новые горизонты для техники, в том числе квантовый компьютер.
Источники: http://www.nanonewsnet.ru/, https://postnauka.ru/, https://naked-science.ru/
