XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Что же такое квантовая запутанность?

Квантомеханическое явление, при котором оказываются взаимосвязанными квантовые состояния двух или большего числа объектов. В пример чаще всего приводят измерение спина частиц. Если спиральность одной из них положительная, то спиральность второй всегда будет отрицательной, и наоборот. Также можно привести еще один элементарный пример. Как только вы надеваете один носок из пары на левую ногу, второй из них становится автоматически правым, при любом его месте нахождения. Получается что физические свойства каждого из состояний связаны с физическими свойствами другого, и не важно где они находятся и соединены ли они.

Есть множество методов создания запутанных состояний. Один из которых – определить сложную систему, выдающую вам частичную информацию. Можно узнать, например, что две системы усвоились существовать одной формой, не зная при этом, какую именно форму они выбрали.

Более характерные последствия фотонной запутанности, такие, как эффекты Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR) и Гринберга-Хорна-Зейлингера (GHZ), возникают благодаря её взаимодействия ещё с одним признаком квантовой теории под названием «принцип дополнительности».

Какие же существуют идеи применения квановой запутанности?

Я нашла несколько вариантов из различных источников:

Квантовая телепортация (передача квантового состояния на расстояние при помощи, разъединённой в пространстве запутанной пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения и воссоздаётся в точке приёма, используется в таких интенсивно исследуемых областях, как квантовые вычисления и квантовая криптография)

Квантовый компьютер (Вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1.)

Квантовая криптография (метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики)

Квантовая коммуникация

«Сверхсветовой коммуникатор» Херберта

Проблема в том, что на Земле сложно сделать надежную связь для разнесенных на большую дистанцию запутанных частиц. Даже в самом окончательном оптоволокне, по которому идет передача фотонов, сигнал мало-помалу затухает, а требования к нему здесь безумно высокие. Китайские ученые даже подсчитали, что если создавать запутанные фотоны и рассылать их в два напрвления с плечами протяженностью приблизительно 600 км – по половине расстояния от центра квантовой науки в Дэлинхе до центров в Шэньчжэне и Лицзяне, – то можно надеяться уловить по спутанной паре примерно за 30 тыс. лет. Другое дело космос, в глубоком вакууме которого фотоны пролетают такое расстояние, не встречая каких-либо преград. И тут на сцену выходит пробный спутник Mozi («Мо-Цзы»). 

На космическую орбитальную конструкцию поставили источник (нелинейный кристалл и лазер), каждую секунду выдававший несколько миллионов пар запутанных фотонов. С дистанции от 500 до 1700 км одни эти фотоны следовали в наземную обсерваторию в Дэлинхе на Тибете, а вторые – в Шэньчжэне и Лицзяне на юге Китая. Как и можно было ожидать, основные утечки частиц случались в нижних слоях атмосферы, впрочем, это лишь около 10 км пути каждого пучка фотонов. В результате же канал запутанных частиц покрыл расстояние от Тибета до юга государства – приблизительно 1200 км, а в ноябре этого года была открыта новая линия, которая связывает провинцию Аньхой на востоке с центральной провинцией Хубэй. Пока что каналу не хватает надежности, но это уже дело техники. 

В ближайшее время китайцы собираются сделать запуск более совершенных спутников для организации таких каналов и обещают, что уже скоро мы увидим работающую квантовую связь между Пекином и Брюсселем, фактически с одного конца континента до другого. Очередной «невозможный» парадокс квантовой механики обещает новый прыжок в технологиях. 

А вот новшества в нашей стране.

Как сообщается на сайте правительства РФ, в России запущена защищенная линия квантовой связи протяженностью 700 км. Линия соединила Москву и Санкт-Петербург. Благополучно реализованный пилотный проект обеспечит к 2024 году создание до 7 000 км защищенных квантовых линий связи по всей стране, взломать которые едва ли возможно.

Линии квантовой связи применяются для передачи квантового шифрования. Особенность технологии в том, что перехват ключа, даже если он произойдет, бесповоротно изменяет квантовые состояния фотонов в сообщении. Это однозначно указывает на компрометацию ключа и останавливает передачу зашифрованного им сообщения. То есть прочесть зашифрованное квантовым ключом сообщение невозможно по той причине, что оно просто не будет передано при утрате доверия к ключу.

Как уточняет издание N+1, на 700-км линии квантовой связи между Москвой и Санкт-Петербургом 19 доверенных узлов (по три в Москве и Санкт-Петербурге и 13 на промежуточных станциях). Доверенные узлы, к которым, ка считается, доступ злоумышленников невозможен, каждый раз заново собирают ключ квантового шифрования. Информация заносится в фазовых состояниях фотонов, которые генерируются на боковых частотах в результате фазовой модуляции обычных импульсов инфракрасного лазера с протяженностью волны 1550 нм.

Информация о фазе фотонов сохраняется на фоне помех и шумов на линии на дальности 60 км, поэтому необходимы эти 13 промежуточных доверенных узлов. Работающих решений в виде повторителей квантовых состояний фотонов сейчас нет. На этих 60 км квантовый ключ передается со скоростью около 300 бит в секунду. Протокол передачи разработал Санкт-Петербуржский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) на базе протокола квантовой связи BB84.

Россия весьма преуспевает в изучении технологий квантового шифрования, что доказано запуском 700-км линии защищенной связи.

Список литературы

Ю. В. Меликов, Квантовая физика

Г. В. Иевлев - Квантовая запутанность

А. Эйнштейн, статья «ЭПР» (Эйнштейна-Подольского-Розена), Phys. Rev. 47, 777-780 (1935) 

J. S. Bell, On the Einstein Podolsky Rosen Paradox, Physics 1, 195 (1964) 

Николя Жизан, Квантоваяслучайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса, 2016 

Jonathan G. Richens, Entanglement is Necessary for Emergent Classicality in All Physical Theories, 2017

https://3dnews.ru/1041588/v-rossii-zapustili-700km-liniyu-zashchishchyonnoy-kvantovoy-svyazi-ona-stala-vtoroy-po-dline-v-mire-i-pervoy-v-evrope

Код для цитирования: Скопировать