XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Мир квантовой физики, часто встречающийся в наших разговорах, представляет собой отдаленную реальность, где действуют свои законы, кажущиеся нам загадочными. Однако явления из этой области науки встречаются нам повсеместно, поэтому важно иметь правильное понимание о них. Одним из таких явлений является квантовая телепортация, вокруг которой существует множество недопониманий. В данной статье будут рассмотрены характеристики, перспективы и возможности квантовой телепортации и квантовой кодировки.

В отличие от фантастической телепортации из кинофильмов, где объекты и люди перемещаются в пространстве, квантовая телепортация имеет теоретическую основу. Идеи квантовой информатики зародились сразу после трудов А. Эйнштейна, М. Планка, Н. Бора и других основоположников квантовой физики. Дальнейшее развитие они получили благодаря созданию квантовой механики в теориях Э. Шрёдингера и В. Гейзенберга. На развитие теории квантовых вычислений также оказали влияние работы Р. Фейнмана.

Квантовая телепортация – это процесс передачи информации о квантовом состоянии на определенное расстояние с использованием пары запутанных частиц и классического канала связи. [1]. При этом исходное состояние разрушается при измерении в точке отправления и восстанавливается в точке назначения. Интересно, что передается не сам объект, а информация о его квантовом состоянии. Однако проблема заключается в том, что все квантовые объекты и атомы одного типа считаются абсолютно идентичными.

Поэтому, если частица в точке приема приобретает квантовое состояние, аналогичное атому в точке передачи, это означает создание копии атома в точке приема. Если бы существовала вероятность передачи квантового состояния всех атомов объекта, тогда в точке приема появилась бы его идеальная копия. Для передачи данных возможно использование телепортации кубитов - наименьших элементов для хранения информации в квантовом компьютере. [2].

Квантовый компьютер - это устройство, которое использует явления квантовой запутанности для передачи и обработки данных. [4]. Эти компьютеры способны успешно решать сложные задачи, но пока что персональные квантовые машины не существуют и не доступны для широкого использования. [5].

В классическом мире информация представлена битами, каждый из которых может быть либо 0, либо 1. Это открывает новые возможности для вычислений и коммуникаций, недоступные в классическом мире.

Квантовое кодирование представляет собой процесс преобразования обычной информации в квантовые состояния, что имеет важное значение для применения квантовых алгоритмов в решении классических задач, в частности, в области квантового машинного обучения. В этих словах заключены ключевые концепции квантовой информатики.

1. Запутывание- это феномен, когда две частицы так переплетены, что состояние одной непосредственно зависит от состояния другой, независимо от расстояния между ними. [3]. Это означает, что изменение состояния одной частицы приведет к мгновенному изменению состояния другой частицы, несмотря на расстояние между ними.

2. Коррекция ошибок в квантовых системах - это совокупность методов, направленных на обеспечение защиты квантовой информации от ошибок и обеспечение ее надежности. [3].

3. Квантовая криптография - это набор методов, целью которых является обеспечение безопасности коммуникации в квантовом мире. Основываясь на математических алгоритмах и принципах физики, квантовая криптография обеспечивает стойкую безопасность связи. [3].

4. Квантовые вычисления – это стремительно развивающееся направление, которое использует потенциал квантовой физики для решения задач, недоступных для классических компьютеров.

Таким образом, квантовая информационная теория представляет собой захватывающую и динамично развивающуюся сферу, которая в ближайшие годы станет все более значимой в нашей повседневной жизни.

Давайте рассмотрим, как происходит процесс квантовой телепортации. На практике квантовая телепортация между отправителем и получателем осуществляется через посредника с использованием запутанных частиц.

1. Для осуществления квантовой телепортации требуется иметь три частицы: две запутанные и одну, которую необходимо передать. Одна из запутанных частиц направляется к месту назначения передаваемой частицы, в то время как другая остается с отправителем.

2. По прибытии запутанной частицы к месту нахождения частицы для телепортации производятся измерения на обеих частицах. Полученные данные передают информацию о состоянии передаваемой частицы.

3. После проведения измерений информация отправляется отправителю, который использует ее для управления состоянием запутанной частицы, находящейся у него. Этот процесс заставляет запутанную частицу принять состояние передаваемой частицы для выполнения телепортации.

В итоге отправитель направляет специально подготовленную и запутанную частицу к месту, откуда будет происходить телепортация. При ее прибытии частица принимает состояние, необходимое для телепортации, передавая квантовую информацию. Этот метод уже успешно прошел экспериментальное испытание и считается ключевым в разработке практичных систем квантовой телепортации.

Одним из важных направлений исследований, где достигнут значительный прогресс, является квантовая телепортация на большие расстояния. Этот прорыв представляет собой важный шаг к созданию глобальной квантовой коммуникационной сети, способной передавать квантовую информацию на огромные расстояния.

Исследователи активно изучают возможности телепортации сложных систем, таких как атомы и молекулы. Этот подход может привести к революционным изменениям в областях химии и биологии, где способность телепортировать сложные системы открывает новые возможности для нашего понимания окружающего мира. Квантовая телепортация также играет важную роль в развитии квантовых вычислений, помогая решить проблему декогерентности, которая является одним из ключевых вызовов в этой области.

Когерентность в физике означает, что несколько колебательных или волновых процессов взаимосвязаны и согласованы. Декогеренция, с другой стороны, означает отрицательное влияние на систему связанных квантовых битов. [3]. Декогерентность проявляется, когда квантовые системы взаимодействуют с окружающей средой и теряют свои квантовые свойства. Ученые стремятся преодолеть эту проблему и создать более надежные квантовые компьютеры. Несмотря на огромные возможности квантовой телепортации, существуют ограничения, которые необходимо преодолеть для полного понимания потенциала этой технологии.

1. Существующие ограничения на дальность квантовой телепортации заключаются в том, что на данный момент она возможна лишь на небольшие расстояния, не превышающие нескольких сотен километров. Для полного освоения этой технологии ученым необходимо разработать методы увеличения расстояний, на которые можно осуществить квантовую телепортацию.

2. Ограничения по объему информации также являются значимым фактором. В настоящее время ученые способны телепортировать только небольшое количество квантовых битов (кубитов) одновременно.

3. Ограничения в техническом плане.

Например, для выполнения процесса квантовой телепортации необходимы точные измерения и контроль над состоянием квантовых частиц, которые подвергаются телепортации. Неправильности в этом процессе могут привести к ошибкам или потере информации.

4. Потребности в энергии.

При увеличении расстояния, на котором может происходить квантовая телепортация, увеличивается и потребность в энергии. Необходимо разработать более эффективные способы производства и хранения энергии.

Поскольку исследования и разработки в этой области продолжаются, есть вероятность того, что многие из этих ограничений будут преодолены, однако в настоящее время они остаются значимыми факторами.

Изучение квантовой телепортации развивается быстро. Работы и исследования в этой сфере продолжаются, что может привести к преодолению многих существующих ограничений. Однако на данный момент эти ограничения остаются важными. Будущее квантовой телепортации обещает использование ее в технологиях квантовой связи и криптографии. Это обеспечит надежную защиту коммуникаций как для бизнеса, так и для государства, а также позволит избежать потерь информации при передаче фотонов по оптоволокну.

Во-первых, речь идет о квантовых компьютерах, где запутанные частицы могут использоваться как кубиты - единицы квантовой информации.

Во-вторых, "квантовый интернет": целая сеть связи, построенная исключительно на квантовых принципах. Однако для реализации этого концепта ученым необходимо научиться передавать квантовые состояния между объектами различной физической природы - фотонами, атомами, квантовыми точками, сверхпроводящими цепями и т.д.

В-третьих, квантовая телепортация обретет практическое применение в реальном мире.

Например, данную технологию можно применять в сфере медицины для мгновенной передачи медицинской информации между различными медицинскими учреждениями. Также её можно использовать в космических исследованиях для передачи данных между Землей и космическим аппаратом. [6].

Ученые и специалисты продолжают работать над усовершенствованием данной технологии. Мы надеемся, что в ближайшие годы будут сделаны новые захватывающие открытия.

Список использованной литературы:

1. Квантовая телепортация// Википедия, свободная энциклопедия. 21 февраля 2018.URL:http://ru.wikipedia.org/?oldid=91070442(дата обращения 15.04.18).

2. Понятов А.Квантовая передача информации станет надежнее// Наука и жизнь2014,№7. с. 109.

3. https://ru.wikipedia.org

4. Квантовый компьютер // Википедия. свободная энциклопедия 30.04.2018.URL: https://ru.wikipedia.org/?oldid=92385509 (дата обращения: 30.04.2018).

5. Владимир Анатольевич Квантовые компьютеры - что это такое? Принцип работы и фото квантового компьютера//syl.ru: ежедн. интернет-изд.: 12.06.2015. URL: https://www.syl.ru/article/189279/new_kvantovyie-kompyuteryi---chto-eto-takoe-printsip-rabotyi-ifoto-kvantovogo-kompyutera (дата обращения 15.05.18).

6. Никонов В., Трость Д. Телепортация: мифы и реальность // yugzone.ru интернет-издание. URL:http://www.yugzone.ru/articles/68 (дата обращения: 30.04.2018).