Bước tiến lớn cho dịch chuyển tức thời lượng tử sẽ không đưa chúng ta đến gần hơn với Star Trek. Đây là lý do tại sao

Hai đội đã thiết lập các bản ghi khoảng cách mới cho dịch chuyển tức thời lượng tử: sử dụng sự kỳ lạ của cơ học lượng tử để chuyển ngay điều kiện hoặc trạng thái Hồi của một hạt lượng tử sang một hạt khác ở một vị trí khác. Một nhóm đã sử dụng mánh khóe để gửi trạng thái của một hạt ánh sáng lượng tử, hoặc photon, 6, 2 km trên khắp thành phố Calgary, Canada, bằng cách sử dụng sợi quang, trong khi nhóm kia dịch chuyển các trạng thái của photon trên 14, 7 km trên khắp Thượng Hải, Trung Quốc.

Cả hai tiến bộ, được báo cáo hôm nay trên tạp chí Nature Photonics, cuối cùng có thể dẫn đến một mạng internet lượng tử không thể thiếu. Nhưng những gì khác là dịch chuyển tức thời lượng tử tốt cho? Và chúng ta có bao giờ có thể sử dụng nó để nén không đau để làm việc vào một buổi sáng tháng giêng không?

Khi nào công cụ này sẽ cho phép chúng ta đi du lịch bằng dịch chuyển tức thời?

Xin lỗi để thất vọng, nhưng câu trả lời là không bao giờ. Mặc dù tên của nó, dịch chuyển tức thời lượng tử không liên quan gì đến kiểu dịch chuyển tức thời được mô tả trong chương trình truyền hình Star Trek và các câu chuyện khoa học viễn tưởng khác. Dịch chuyển tức thời như vậy thường liên quan đến việc làm tan rã một đối tượng vật chất, bằng cách nào đó chiếu các nội dung trong không gian, và ngay lập tức và hoàn hảo việc ghép lại đối tượng ở một vị trí xa. Trong dịch chuyển tức thời lượng tử, không có gì bị tan rã và lắp ráp lại và không có vấn đề đi du lịch bất cứ nơi nào. Hơn nữa, quá trình này chỉ hoạt động ở cấp độ của các hạt lượng tử riêng lẻ: photon, electron, nguyên tử, v.v ... Dịch chuyển tức thời lượng tử và ngắn và dịch chuyển tức thời thực sự không có gì chung ngoài tên.

Nhưng nếu dịch chuyển tức thời lượng tử không di chuyển mọi thứ, vậy thì nó sẽ làm gì?

So với việc gửi một đội đi đến bề mặt của một hành tinh, dịch chuyển tức thời lượng tử nhằm mục đích làm một điều gì đó ít tham vọng hơn và tinh tế hơn nhiều. Dịch chuyển tức thời lượng tử ngay lập tức chuyển điều kiện hoặc trạng thái trực tiếp của một hạt lượng tử sang một hạt khác mà không gửi hạt đó. Nó giống như chuyển việc đọc trên một đồng hồ sang một đồng hồ ở xa.

Có gì ấn tượng về việc đọc một đồng hồ và thiết lập một giây theo cùng một cách?

Trạng thái lượng tử của một hạt như photon phức tạp và tinh tế hơn nhiều so với việc đọc đồng hồ. Trong khi bạn chỉ cần đọc đồng hồ và sau đó đặt đồng hồ khác cùng một lúc, bạn thường không thể đo trạng thái của hạt lượng tử mà không thay đổi nó. Và bạn không thể đơn giản là sao chép bản sao trạng thái của một hạt lượng tử lên hạt khác. Các quy tắc của cơ học lượng tử không cho phép nó. Thay vào đó, những gì bạn cần làm là tìm cách chuyển trạng thái của một hạt lượng tử này sang hạt khác mà không bao giờ thực sự đo được trạng thái đó. Để tiếp tục với sự tương tự đồng hồ, như thể bạn đang chuyển cài đặt của đồng hồ này sang đồng hồ khác mà không bao giờ nhìn vào đồng hồ đầu tiên.

Làm thế nào mà có thể làm việc?

Nó hơi phức tạp. Để cảm nhận về nó, bạn cần biết một vài điều về trạng thái lượng tử. Xét một photon đơn lẻ. Một photon là một bit cơ bản của sóng điện từ, do đó, nó có thể được phân cực bởi vì vậy điện trường của nó chỉ theo phương thẳng đứng hoặc theo chiều ngang. Nhờ vào sự kỳ lạ của cơ học lượng tử, photon cũng có thể ở cả hai trạng thái cùng một lúc, do đó, photon có thể được phân cực theo cả chiều dọc và chiều ngang cùng một lúc. Số lượng dọc và ngang giúp xác định trạng thái của photon.

Nhưng nó thậm chí còn phức tạp hơn thế. Ngoài hỗn hợp dọc và ngang, trạng thái của photon được xác định bởi tham số thứ hai, đó là một loại góc gọi là pha sóng., Vì vậy, trạng thái thực tế của photon bao gồm cả hỗn hợp dọc và ngang và giai đoạn. Nó có thể được hình dung với sự trợ giúp của một quả cầu hoặc quả cầu trừu tượng, trên đó cực bắc tượng trưng cho trạng thái thẳng đứng thuần túy và cực nam tượng trưng cho trạng thái muộn ngang.

Trạng thái chính xác của photon sau đó là một điểm trên quả địa cầu, với vĩ độ tạo ra sự cân bằng của chiều dọc và chiều ngang trong trạng thái và kinh độ cho pha. Do đó, ví dụ, mọi điểm trên đường xích đạo tượng trưng cho trạng thái trong đó photon nằm trong một hỗn hợp bằng nhau giữa chiều dọc và chiều ngang, nhưng trong đó pha, có thể được thăm dò trong các phép đo phức tạp hơn, thì khác nhau.

Vậy tại sao bạn không thể đọc điểm trên toàn cầu?

Bạn không thể vì các phép đo hạt lượng tử chỉ cung cấp thông tin hạn chế. Đưa ra một photon ở một số trạng thái không xác định, bạn không thể hỏi tọa độ của điểm số của trạng thái trên thế giới là gì. Thay vào đó, bạn phải thực hiện một / hoặc phép đo. Đơn giản nhất sẽ là: photon bị phân cực theo chiều dọc hay chiều ngang? Phép đo đó sẽ cho kết quả này hay kết quả khác với xác suất phụ thuộc vào hỗn hợp chính xác của chiều dọc và chiều ngang trong trạng thái. Nhưng nó sẽ không cho bạn biết giai đoạn. Và nó sẽ đánh sập các trạng thái ban đầu, do đó photon bị chĩa vào cực này hay cực kia, ở trạng thái hoàn toàn thẳng đứng hoặc nằm ngang. Sự xáo trộn của trạng thái ban đầu là không thể tránh khỏi trong lý thuyết lượng tử.

Trạng thái của một photon được mô tả bởi một điểm trên một

Trạng thái của một photon được mô tả bởi một điểm trên "quả cầu Bloch." Vĩ độ của điểm (góc ) xác định hỗn hợp phân cực ngang và dọc. Kinh độ (góc ) không có tương tự cổ điển nhưng dẫn đến nhiều hiệu ứng lượng tử kỳ lạ.

Smite-Meister / Wikimedia Commons

Nhưng nếu bạn không thể đo được trạng thái chính xác của photon, làm thế nào để bạn chuyển nó?

Bạn cần nhiều photon hơn và một chút kỳ lạ khác của cơ học lượng tử. Hai photon có thể được liên kết thông qua một kết nối tinh tế gọi là entanguity. Khi hai photon bị vướng víu, trạng thái của mỗi photon hoàn toàn không chắc chắn nhưng hai trạng thái tương quan với nhau. Vì vậy, trên thế giới trừu tượng của chúng ta, vị trí của mỗi photon vẫn hoàn toàn không xác định - nó thực sự chỉ theo mọi hướng cùng một lúc. Nhưng, bất chấp sự không chắc chắn đó, trạng thái của hai photon có thể tương quan với nhau để chúng được đảm bảo giống hệt nhau. Đó là, nếu bạn thực hiện một phép đo lạ mắt làm sụp đổ một photon theo hướng trên quả cầu của chúng ta là 40 bắc, 80 tây, bạn sẽ biết rằng phép đo thứ hai sẽ ngay lập tức sụp đổ vào cùng một trạng thái, bất kể nó cách xa bao xa Là. Những cặp như vậy rất quan trọng đối với dịch chuyển tức thời lượng tử.

Đây là cách nó hoạt động. Giả sử bạn có hai người, Alice và Bob, với một người thứ ba, Charlie, ở giữa. Alice chuẩn bị một photon mà cô muốn dịch chuyển tức thời, cô đặt vị trí của nó trên quả cầu trừu tượng. Cô gửi nó xuống một sợi quang cho Charlie. Đồng thời, Charlie chuẩn bị một cặp photon vướng víu. Anh ta giữ một cái và gửi cái thứ hai cho Bob.

Bây giờ, đây là phần khó khăn. Khi Charlie nhận được photon của Alice, anh ta có thể lấy nó và người anh ta giữ và thực hiện một loại phép đo joint cụ thể trên cả hai. Bởi vì các phép đo lượng tử làm sụp đổ các trạng thái của photon, phép đo Charlie thực sự buộc hai photon đó vào trạng thái vướng víu. (Phép đo của Charlie thực sự đặt ra một trong hai hoặc câu hỏi: Các photon ở một trạng thái vướng víu cụ thể hay là một trạng thái bổ sung?)

Nhưng ngay khi Charlie thực hiện phép đo vướng víu trên hai photon mà anh ta có - người anh ta nhận được từ Alice và người mà anh ta giữ từ cặp vướng víu ban đầu xảy ra. Photon mà anh ta gửi cho Bob ngay lập tức sụp đổ vào trạng thái của photon ban đầu của Alice. Đó là, thiết lập toàn cầu của photon Alice đã được dịch chuyển đến Bob ngay cả khi Bob cách Charlie hàng km, anh ta ở trong hai thí nghiệm này.

Nhưng tại sao điều đó xảy ra?

Thí nghiệm phụ thuộc rất nhiều vào mối tương quan vốn có trong sự vướng víu. Ngoài ra, để xem lý do tại sao trạng thái của photon Alice kết thúc được chuyển sang Bob, bạn gần như phải quay lại và làm việc thông qua toán học. Khi bạn đã quen với ký hiệu, bất kỳ ai đã học đại số trung học đều có thể thực hiện phép tính. Đó là một trong những điều đại số tốt cho.

Đây có phải là những gì các nhà vật lý thực sự đã làm?

Đóng. Sự khác biệt duy nhất là họ đã sử dụng hai thời gian đến hơi khác nhau cho các trạng thái cơ bản của các photon, chứ không phải các phân cực khác nhau. Phần khó trong các thí nghiệm là đảm bảo rằng hai photon được gửi cho Bob đến cùng một thời điểm và giống hệt nhau về màu sắc và độ phân cực. Nếu chúng có thể phân biệt được, thì thí nghiệm sẽ không hoạt động. Đó là những thách thức kỹ thuật để dịch chuyển tức thời trên một khoảng cách dài như vậy.

Vì vậy, điều này có thể tốt cho cái gì?

Mặc dù nó trừu tượng, dịch chuyển tức thời lượng tử có thể được sử dụng để tạo ra một mạng internet lượng tử. Điều này sẽ giống như internet ngày nay, nhưng sẽ cho phép người dùng chuyển trạng thái lượng tử và thông tin họ chứa thay vì thông tin cổ điển, về cơ bản là các chuỗi 0 và 1.

Hiện tại, các nhà vật lý và kỹ sư đã xây dựng các mạng lượng tử một phần trong đó các thông điệp an toàn có thể được gửi qua các sợi quang. Những công nghệ này hoạt động bằng cách sử dụng các photon đơn lẻ để phân phối các phím số để khóa và mở khóa các tin nhắn được mã hóa. Họ lợi dụng thực tế là một kẻ nghe trộm không thể đo được các photon đó mà không làm phiền chúng và tiết lộ sự hiện diện của anh ta. Nhưng ngay bây giờ, các mạng đó không phải là cơ học lượng tử hoàn toàn trong đó thông điệp cần được giải mã và mã hóa tại mọi nút trong mạng, làm cho các nút dễ bị hack.

Với dịch chuyển tức thời lượng tử, các nhà vật lý và kỹ sư có thể thiết lập một kết nối vướng víu giữa các nút ở xa trên mạng. Về nguyên tắc, điều này sẽ cho phép người dùng tại các nút đó chuyển các tin nhắn được mã hóa mà không thể giải mã được tại các nút trung gian và về cơ bản là không thể truy cập được. Và nếu các nhà vật lý từng thành công trong việc chế tạo một máy tính lượng tử đa năng - thì họ sẽ sử dụng qubits có thể được đặt thành 0, 1 hoặc cả 0 và 1 để thực hiện các phép tính nhất định áp đảo một máy tính thông thường Vì vậy, một mạng lượng tử như vậy có thể cho phép người dùng tải các cài đặt ban đầu của máy tính từ các thiết bị đầu cuối từ xa.

Khi nào thì điều đó sẽ xảy ra?

Ai biết? Nhưng một mạng internet lượng tử dường như xuất hiện sớm hơn rất nhiều so với một máy tính lượng tử có mục đích chung.

Huh. Mát mẻ! Nhưng không có rạng rỡ để làm việc trong mùa đông?

Xin lỗi, bạn vẫn sẽ phải bó lại và đối mặt với cái lạnh.