Часть 1-ая: квантовые потаенны
Две группы учёных в австрийском институте Инсбрука (University of Innsbruck) и южноамериканском Государственном институте эталонов и технологий (NIST) практически сразу и независимо друг от друга провели первую в мире телепортацию квантовых состояний атомов.
Ранее подобные опыты проводили только с фотонами. При всем этом давнешние опыты по телепортации носили вероятностный нрав, в то время как в сегодняшних 2-ух работах исследователи выделили полную детерминированность (предопределённость) процесса от начала и до конца.Даже посреди физиков ещё идут горячие дискуссии относительно тонкостей телепортации.
Что уж гласить о обычных пытливых гражданах, которым обычно приходится читать материалы на эту тему 2-ух типов — или с кучей формул и непонятными определениями, или научно-популярные, но с ошибками и распространёнными околонаучными легендами.
Ранее физикам удавалось проводить телепортацию квантовых характеристик только для фотонов (фото с веб-сайта news.bbc.co.uk).
Сенсационные опыты австрийских и американских физиков — красивый опыт попробовать расставить все точки над "i".
И осознать — почему даже перенос "вида" 1-го атома на другой совсем не значит, не то что в десятилетия, да и в любом разумно-обозримом будущем, осуществимости той телепортации, что обрисовывают фантасты.
Но зато открывает дорогу к квантовым компьютерам неслыханной мощности.
Два года вспять мы уже попробовали разъяснить базы квантовой телепортации, но это как раз тот случай, когда "издание 2-ое, исправленное и дополненное" — просто нужно.
Итак, под квантовой телепортацией предполагается передача от одной частички к другой набора каких-то её квантовых черт (значение спина у электрона либо ядра, поляризация и фаза у фотона), либо хотя бы одной из таких черт.
Заметьте, это совсем не физический и не моментальный перенос самой частички от одной точки места к другой.
Что конкретно переносится при телепортации, наглядно представить не так просто, как кажется на 1-ый взор. Это не информация об объекте. Это само состояние объекта.
Даже если моментальная переброска людей остается мечтой, квантовая телепортация даст нам огромное количество умопомрачительных технологий (иллюстрация с веб-сайта star-voyager.de).
Почему нельзя гласить о переносе инфы? Ну, к примеру, так как в процессе опыта переносимые с одной частички на другую четкие свойства (значения) так и остаются неведомыми экспериментаторам.
Более того, как ни удивительно, в той инфы, что и взаправду переносится при выполнении опыта (по полностью реальным физическим сетям и с полностью реальной скоростью света), простите за тавтологию, не содержится ровненьким счётом никакой инфы о копируемом объекте.
Но по порядку. Представьте для себя, что некоторый шарик может быть чёрным либо белоснежным. Применительно к компьютерной внутренности мы могли бы гласить о "0" и "1" и о том, что данный шарик кодирует один бит.
В микромире, живущем по законам квантовой механики шарик — электрон, фотон либо ядро атома — может находиться в суперпозиции — в призрачном состоянии меж 0 и 1.
Но это не шарик просто сероватого цвета, как можно было бы поразмыслить по аналогии с обычным миром.
Это некоторое рассредотачивание вероятности того, что, посмотрев на данный шарик, мы увидим тот либо другой цвет.
Данное рассредотачивание выражается в виде так именуемой волновой функции. А их совокупа для различных черт одной и той же частицы можно считать полным "образом" шарика — полным квантовым состоянием.
Кстати, если уж гласить о спине (в ординарном представлении — это направление вращения частички), то по логике вещей оно (в некоторых координатах) может идти или по часовой, или против часовой стрелки.
Части истинной телепортационной установки также могут смотреться фантастично (фото с веб-сайта news.bbc.co.uk).
Но это справедливо только в макромире. А в микромире вращение частички сразу во все стороны — нормально.
Это призрачное многовариантное вращение может быть описано волновой функцией, но не измерено впрямую.
То же и с поляризацией фотона — пока он летит, его поляризация вроде бы "размазана" по некоему полю вероятностей, но как он попадает в сенсор — поляризация воспринимает полностью конкретное значение, каковое и измеряется.
Если гласить о физической стороне опыта австрийцев и янки, то она готовилась издавна.
На данный момент на техническом уровне уже может быть изолировать один ион в ловушке из электрических полей, охладить его до сверхнизкой температуры, а потом при помощи особо подобранных характеристик лазерного луча — придать иону случайное квантовое состояние.
К примеру, чтоб его спин был равен 1 либо 0, либо тому и другому с вероятностью точно 50%.
Такие стандартные квантовые операции либо преобразования именуют гейтами.
По аналогии с арифметикой, упрощённо, это похоже на надбавку единицы, её половины либо нуля (либо вычитанию) к неведомому для экспериментатору числу (волновая функция — другими словами предыдущее состояние частички).
Итог остаётся неведомым, но хотя бы понятно одно его слагаемое.
Но неувязка в том, что законы природы не позволяют измерить у отдельной частички её волновую функцию — сам факт измерения меняет частичку, и мы получим (в определениях инфы) ноль либо единицу, а совсем не непредставимую и размазанную возможность.
Но конкретно в таком вероятностном виде частичка живойёт, пока мы её не смотрим и не измеряем.
А телепортация квантовых состояний атомов со стороны смотрится довольно буднично (фото с веб-сайта discovery.com).
Поэтому нельзя просто померить "вид" 1-го атома и вылепить по слепку копию атома первого, взяв за базу другой атом (либо фотон — всё будет аналогично).
И даже парадокс запутанности либо связанности не поможет. Во всяком случае, впрямую.
Напомним, запутанность — это способность частиц микромира объединяться в пары так, что квантовые состояния этих "шариков" всегда будут связаны, скоррелированы, даже если после запутывания частички развести по различным городкам.
Такую запутанность можно создавать искусственно, помещая две частички впритирку рядом и облучая их одним лучом при условии наисильнейшего остывания (миллионные толики градуса выше абсолютного нуля), устраняющего беспорядочное движение частиц.
Здесь, кажется, есть одна из основных ловушек для логики. Некие молвят, что если мы придадим запутанной частичке некоторое состояние — то же состояние одномоментно воспримет и её родная пара.
Это не полностью так либо, быстрее, сильное упрощение. Запутанные частички в действительности не владеют никакой возможностью выяснить о переменах, случившихся с первой частичкой.
К тому же информация не передаётся "одномоментно". Теория относительности пока ещё остаётся целой.
По сути, измеряя, скажем, спин частички, мы всего только точно узнаем, что вздумай мы измерить его и у 2-ой из запутанной пары — получим тот же итог.
Но, как мы произнесли, открыв чёрный ящик, где спрятана частичка (проведя при помощи такого же лазера измерение некоторой её свойства), мы увидим или чёрный, или белоснежный цвет.
А нам-то любопытно передать от одной частички к другой не белоснежный либо чёрный, а "никакой" цвет — ту волновую функцию с её коэффициентами вероятности. Это и будет квантовой телепортацией.
-----------------------------------------------------------------------------
Телепортация неурядицы. Часть 2-ая: кульбиты кубитов
В первой части мы попробовали разъяснить базы квантовой телепортации. А сейчас, фактически, перебегаем к тому, что сотворили с атомами, а поточнее — с ионами кальция в Австрии и бериллия в США. И попробуем оценить, как эти опыты воздействую на будущее населения земли.
Итак, поначалу две группы учёных сделали пару запутанных ионов (условно атом "1" и "2"), квантовые функции которых были, можно сказать, мистически связаны, но неопознаны по определению.
Это как сделать произвольные манипуляции с 2-мя шариками в чёрном ящике втемную, не включая свет.
Потом физики взяли 3-ий ион ("3"), квантовую функцию которого опять-таки измерить нельзя, и запутали его с одним из ионов (допустим "1") от первой пары.
Позже физики провели измерение квантовых характеристик (в данном опыте — спин и фаза) у ионов "1" и "3".
Этот определенный итог и передавался на физическом уровне (с полностью конечной скоростью, а совсем не одномоментно).
Дальше, руководствуясь правилами вычисления волновых функций, физики определяли, какой гейт необходимо применить к иону номер "2", чтоб в итоге его волновая функция стала копией такой у иона "3", каким он был до опыта.
Таким макаром, ион "2" становился схожим третьему — осуществлялась телепортация.
Хотя какая же конкретно была та волновая функция, что телепортировалась — оставалось принципно трансцендентным.
Вычислить её из переносимой на физическом уровне инфы было нереально — этой инфы там просто не было.
Так что принцип квантовой физики — нельзя измерить квантовые характеристики частички, не изменив их самим фактом измерения — оставался незыблемым.
Фаворит группы в NIST Дэвид Вайнленд (David Wineland) настраивает часть телепортационной установки — ультрафиолетовый лазер (фото с веб-сайта nist.gov).
Кстати, отлично соблюдался и другой закон физики — запрет на клонирование частиц.
Он говорит, что 2-ух частиц с схожими квантовыми состояниями сразу быть не может.
Но ведь начальная частичка, состояние которой переносилось на новейшую, сама в процессе опыта становилась другой.
Сейчас вернёмся к началу. Почему нельзя телепортировать вещество?
Видимо, поэтому, что для этого необходимо телепортировать все квантовые характеристики частички. А это не только лишь спин либо фаза вращения, да и много-много других чисел.
Препятствие здесь в том, что, измеряя некий один из этих характеристик, мы неисправимо меняем всё квантовое состояние частички, вроде бы "задевая" другие характеристики.
Так что, представляется, скопировать частичку стопроцентно нереально, хотя телепортировать некоторый её параметр — реально.
Зато для квантовых компов новые опыты — путеводная звезда и свет в конце тоннеля. Такие компы оперируют не с битами, а с кубитами (квантовыми битами).
Если один бит кодируется в компьютере зарядом либо напряжением (есть — нет, 1-0), то кубит — некоторым квантовым параметром носителя (этим же спином, к примеру).
А потому что он носит вероятностный нрав, то выходит что один элемент такового компьютера (фотон либо ион) находится сходу в 2-ух состояниях — 0 и 1. Два кубита представляют сходу четыре числа — 00, 01, 10 , 11. Вообщем — n кубитов — это 2 в степени n чисел.
А операции с ними квантовый компьютер проводит, ну очень упрощённо, как над матрицей (молвят "суперпозиция кубитов") — мгновенно.
Золотые электроды — кусок ловушки для ионов в американской установке (фото с веб-сайта nist.gov).
Ведь само физическое устройство квантового компьютера подразумевает проведение операций (тех гейтов) не над кубитами даже, а де-факто над квантовыми состояниями частиц-носителей инфы.
Поэтому там, где обыденный компьютер вычисляет функцию f от 1-го x, квантовый компьютер получает сходу все значения этой функции от всех x.
Это и именуют квантовым параллелизмом, который сулит в отдалёкой перспективе компы таковой мощности, что сегодняшние перед ними — как древесные счёты.
Пространство-то представления чисел при линейном росте количества кубитов растет экспоненциально.
Вот тут мы, население земли, и попытаемся распутать все способности квантовой запутанности, ведь хотя квантовое состояние таких частиц для каждой из их по отдельности измерить нельзя, их общее квантовое состояние может быть определено, что и даёт возможность телепортации квантовых состояний.
Это, в свою очередь, вместе с большущим потенциалом представления инфы, также станет главным моментом в квантовом компьютере, потому что конкретно телепортацией в нём и будут передаваться данные меж кубитами.
В конце концов, достижение наших героев смотрится ещё более перспективным, в свете того, что сейчас в качестве физических носителей кубитов можно использовать долгоживущие атомы, а не "ветреные" фотоны.
Мы далеки от мысли, что, собирая материал для данной статьи, смогли полностью и стопроцентно разобраться во всех тонкостях квантовой телепортации и квантовых вычислений. Потому дополнения и поправки — приветствуются.
http://www.membrana.ru/articles/inventions/2004/06/17/233400.html
ужс я даже не могу представить как это больно 