In tegenstelling tot de wetten van de klassieke mechanica, hebben we geleerd om informatie sneller over te dragen dan de lichtsnelheid. RIA Novosti ontdekte hoe qubits gegevens uitwisselen en waarom het onmogelijk is om een materieel object te teleporteren.
Mysterieuze kwantumwereld
In de kwantumwereld wordt informatie gemeten in qubits. In tegenstelling tot klassieke bits zijn ze in staat om gelijktijdig in twee toestanden te blijven - logische nul en één - totdat ze worden gemeten, of beter gezegd, informatie wordt gelezen.
De rol van een qubit wordt gespeeld door een kunstmatig atoom met twee energieniveaus. Als het atoom zich op het lagere energieniveau bevindt, is de toestand van het systeem logisch nul, aan het bovenste is het logisch. Fysiek kan een qubit worden belichaamd in een foton, molecuul, ion, atoom, kwantumdot - in alles dat kwanta van elektromagnetische energie uitzendt en absorbeert. Supergeleidende qubits zijn bijvoorbeeld een elektrisch circuit gemaakt van dunne metaallagen die tot ultralage temperaturen zijn gekoeld, waartussen elektronenparen door dunne isolatielagen tunnelen.
Aangezien we het hebben over de kwantumwereld, is het onmogelijk om te zeggen in welke toestand het elektron in de qubit zich op elk moment in de tijd bevindt. Dit opent mogelijkheden voor teleportatie - de overdracht van iets in de ruimte.
“Kwantumteleportatie vereist drie op elkaar geplaatste qubits. Laten we zeggen dat we informatie van het eerste element naar het derde moeten overbrengen, en dat ze geen interactie mogen hebben, dat wil zeggen dat ze niet dichtbij moeten zijn. Vervolgens worden de derde en tweede qubits verstrengeld met behulp van een logische bewerking - hun toestanden worden onderling afhankelijk en ze worden zelf verstrengeld genoemd. En als de toestand van een van hen wordt gemeten, zal de toestand van de tweede automatisch het tegenovergestelde zijn. Het is alsof je zwarte en witte ballen in een doos gooit en er dan willekeurig een uittrekt: de kleur van de tweede zal met 100% waarschijnlijkheid bekend zijn ”, zegt Ilya Besedin, een ingenieur bij het Superconducting Metamaterials Laboratory bij NUST MISIS.
Dan moet de tweede qubit communiceren met de eerste. Er zijn twee belangrijke manieren om ze aan het "chatten" te krijgen. Ten eerste wordt de resonantiefrequentie van het ene atoom veranderd zodat deze samenvalt met de frequentie van een ander, waarna de excitatie van het ene naar het andere gaat via het elektrische veld. De tweede mogelijkheid is dat het systeem wordt blootgesteld aan microgolfstraling zodat de absorptiecoëfficiënt van het ene atoom afhankelijk is van de toestand van een ander. Nadat de qubits hebben "gepraat", worden hun toestanden gelezen.
Promotie video:
In feite veranderen de qubits op dit moment in klassieke bits met bekende informatie. Vervolgens wordt een logische bewerking uitgevoerd op de derde qubit, en deze blijkt zich in de staat van de eerste te bevinden. Bedenk dat de eerste en derde qubits nooit interactie hebben gehad, behalve voor indirecte "communicatie" via de tweede qubit. Bovendien had de derde contact met de tweede voordat hij informatie uitwisselde met de eerste.
Verward? Stel je dan voor dat je een A hebt gehaald voor het examen en je vreugde deelde met je vader. Toen gingen ze naar mijn moeder en vertelden haar hetzelfde. En ze vertelde je dat ze de auto bekrast had. En na je gesprek leert vader op een onbekende manier over dit probleem. Het is moeilijk om de kwantummechanica te begrijpen - het is beter om gewoon in het reine te komen met de wetten ervan.
Je kunt niet tegenspreken met de relativiteitstheorie
Met behulp van kwantumteleportatie kan informatie over grote afstanden worden verzonden. Het record is tot dusver eigendom van Chinese wetenschappers, die gegevens van de aarde naar een satelliet van meer dan 1400 kilometer hebben gestuurd. Bovendien wisselen de qubits zelf direct data uit, zelfs sneller dan de lichtsnelheid.
Wetenschappers hebben dit bevestigd door gelijktijdig de toestand van twee verstrengelde qubits op verschillende locaties te meten. Het bleek dat ze elkaars veranderingen echt sneller 'voelen' dan lichte bewegingen.
Om informatie uit een qubit te extraheren, moet deze worden gedecodeerd met behulp van klassieke bits, waarvan de transmissiesnelheid de lichtsnelheid niet kan overschrijden. Dus hoewel de kwantumwereld ongelooflijke kansen biedt, kunnen mensen, vanwege hun klassieke aard, er soms gewoon niet volledig van profiteren.
“Maar kwantumteleportatie is perfect voor gecodeerde datatransmissie. Uiteraard kan informatie ook worden versleuteld met behulp van klassieke algoritmen. Maar deze methode heeft een zwak punt: sleuteluitwisseling. Met voldoende rekenkracht is de onderschepte encryptie altijd leesbaar”, aldus de expert.
En met protocollen op basis van kwantumteleportatie kun je wiskundig bewijzen dat de kwantumlijn niet wordt afgetapt. Zodra een buitenstaander zich ermee verbindt, verslechtert de kwaliteit van de overdracht van de kwantumtoestand aanzienlijk, ongeacht de technische uitrusting van de indringer. En beide partijen ontdekken meteen dat hun gesprek niet langer privé is.
Zal er geen teleport zijn?
Om een grappige video met een vriend te delen, hebben jullie allebei computers of smartphones nodig. Hetzelfde geldt voor het teleporteren van gegevens tussen qubits: om de toestand over te dragen heb je een zender-qubit en een ontvanger-qubit nodig, die zich al op de juiste plaats bevinden. Dat wil zeggen, voordat u gegevens verzendt, moet u het object dat deze ontvangt, fysiek verplaatsen. En tot nu toe kunnen we dit alleen op een klassieke manier doen: langs een bekend traject - van punt "A" naar punt "B". En zeker niet onmiddellijk.
En hoe zit het met de teleportatie van elk materieel object als geheel - bijvoorbeeld een persoon? Tenslotte bestaat materie uiteindelijk uit atomen, dat wil zeggen kwantumsystemen waartussen informatie kan worden overgedragen. Om dit te doen, moet je gegevens over alle atomen van het lichaam teleporteren naar andere atomen die zich op een andere plaats bevinden, en daardoor een persoon opnieuw creëren.
Maar voor elke overdracht is complexe technische uitrusting vereist. Een persoon die ongeveer 70 kilogram weegt, bevat 6,7 * 1027 atomen. Het is ongelooflijk moeilijk om informatie over alle deeltjes met 100% nauwkeurigheid te verzenden - en op dit moment is het technisch onmogelijk. Toch is teleportatie van een materieel object een te aantrekkelijke taak om te weigeren.
