Entgegen den Gesetzen der klassischen Mechanik haben wir gelernt, Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen. RIA Novosti fand heraus, wie Qubits Daten austauschen und warum es unmöglich ist, ein materielles Objekt zu teleportieren.
Geheimnisvolle Quantenwelt
In der Quantenwelt werden Informationen in Qubits gemessen. Im Gegensatz zu klassischen Bits können sie gleichzeitig in zwei Zuständen bleiben - logische Null und Eins -, bis sie gemessen oder vielmehr Informationen gelesen werden.
Die Rolle eines Qubits spielt ein künstliches Atom mit zwei Energieniveaus. Befindet sich das Atom auf dem unteren Energieniveau, ist der Zustand des Systems logisch Null, auf dem oberen logisch Eins. Physikalisch kann ein Qubit in einem Photon, Molekül, Ion, Atom, Quantenpunkt verkörpert sein - in allem, was Quanten elektromagnetischer Energie emittiert und absorbiert. Beispielsweise sind supraleitende Qubits ein Stromkreis aus dünnen Metallschichten, die auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt sind und zwischen denen Elektronenpaare durch dünne Isolatorschichten tunneln.
Da es sich um die Quantenwelt handelt, ist es unmöglich zu sagen, in welchem Zustand sich das Elektron im Qubit zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Dies eröffnet Möglichkeiten zur Teleportation - die Übertragung von etwas im Weltraum.
„Quantenteleportation erfordert drei überlagerte Qubits. Angenommen, wir müssen Informationen vom ersten zum dritten Element übertragen, und sie sollten nicht interagieren, dh sie sollten nicht nahe beieinander liegen. Dann werden das dritte und das zweite Qubit unter Verwendung einer logischen Operation verwickelt - ihre Zustände werden voneinander abhängig und sie selbst werden als verwickelt bezeichnet. Und wenn der Zustand eines von ihnen gemessen wird, ist der Zustand des zweiten automatisch entgegengesetzt. Es ist, als würde man schwarze und weiße Kugeln in eine Schachtel werfen und dann eine davon zufällig herausziehen: Die Farbe der zweiten wird mit 100% iger Wahrscheinlichkeit bekannt sein , sagt Ilya Besedin, Ingenieurin am Labor für supraleitende Metamaterialien bei NUST MISIS.
Dann muss das zweite Qubit mit dem ersten interagieren. Es gibt zwei Möglichkeiten, um sie zum "Chatten" zu bringen. Zunächst wird die Resonanzfrequenz eines Atoms so geändert, dass sie mit der Frequenz eines anderen Atoms zusammenfällt. Danach geht die Anregung von einem Atom zum anderen durch das elektrische Feld. Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass das System Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird, so dass der Absorptionskoeffizient eines Atoms vom Zustand eines anderen Atoms abhängt. Nachdem die Qubits "gesprochen" haben, werden ihre Zustände gelesen.
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Tatsächlich verwandeln sich die Qubits in diesem Moment in klassische Bits mit bekannten Informationen. Dann wird eine logische Operation am dritten Qubit ausgeführt, und es stellt sich heraus, dass es sich im Zustand des ersten befindet. Denken Sie daran, dass das erste und dritte Qubit nie interagiert haben, außer bei der indirekten "Kommunikation" über das zweite Qubit. Außerdem stand der dritte mit dem zweiten in Kontakt, bevor er mit dem ersten Informationen austauschte.
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Mit der Relativitätstheorie kann man nicht streiten
Mit Hilfe der Quantenteleportation können Informationen über große Entfernungen übertragen werden. Der bisherige Rekord gehört chinesischen Wissenschaftlern, die Daten von der Erde über 1400 Kilometer an einen Satelliten gesendet haben. Darüber hinaus tauschen die Qubits selbst sofort Daten aus, sogar schneller als die Lichtgeschwindigkeit.
Wissenschaftler haben dies bestätigt, indem sie gleichzeitig den Zustand zweier verwickelter Qubits an verschiedenen Orten gemessen haben. Es stellte sich heraus, dass sie die Veränderungen des anderen wirklich schneller "fühlen" als Lichtbewegungen.
Um Informationen aus einem Qubit zu extrahieren, müssen sie mit klassischen Bits decodiert werden, deren Übertragungsrate die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten darf. Obwohl die Quantenwelt unglaubliche Möglichkeiten bietet, können Menschen sie aufgrund ihrer klassischen Natur manchmal einfach nicht voll ausnutzen.
„Die Quantenteleportation ist jedoch perfekt für die verschlüsselte Datenübertragung. Natürlich können Informationen auch mit klassischen Algorithmen verschlüsselt werden. Diese Methode hat jedoch eine Schwäche: den Schlüsselaustausch. Bei ausreichender Rechenleistung kann die abgefangene Verschlüsselung immer gelesen werden “, sagt der Experte.
Mit Protokollen, die auf Quantenteleportation basieren, können Sie mathematisch beweisen, dass die Quantenlinie nicht abgegriffen wird. Sobald sich ein Außenstehender mit ihm verbindet, verschlechtert sich die Qualität der Übertragung des Quantenzustands erheblich, unabhängig von der technischen Ausrüstung des Eindringlings. Und beide Parteien stellen sofort fest, dass ihr Gespräch nicht mehr privat ist.
Wird es keinen Teleport geben?
Um ein lustiges Video mit einem Freund zu teilen, benötigen Sie beide Computer oder Smartphones. Gleiches gilt für die Teleportation von Daten zwischen Qubits: Um den Status zu übertragen, benötigen Sie ein Sender-Qubit und ein Empfänger-Qubit, die sich bereits an der richtigen Stelle befinden. Das heißt, bevor Sie Daten senden, müssen Sie das Objekt, das sie empfängt, physisch verschieben. Und bisher können wir dies nur auf klassische Weise tun: entlang einer bekannten Flugbahn - von Punkt "A" bis Punkt "B". Und keineswegs sofort.
Und was ist mit der Teleportation eines materiellen Objekts als Ganzes - zum Beispiel einer Person? Schließlich besteht Materie letztendlich aus Atomen, dh Quantensystemen, zwischen denen Informationen übertragen werden können. Dazu müssen Sie Daten über alle Atome des Körpers zu anderen Atomen an einem anderen Ort teleportieren und so eine Person neu erstellen.
Für jeden Transfervorgang ist jedoch eine komplexe technische Ausrüstung erforderlich. Eine Person mit einem Gewicht von etwa 70 Kilogramm enthält 6,7 * 1027 Atome. Es ist unglaublich schwierig, Informationen über alle Partikel mit 100% iger Genauigkeit zu übertragen - und im Moment ist dies technisch nicht machbar. Dennoch ist die Teleportation eines materiellen Objekts eine zu attraktive Aufgabe, um sie abzulehnen.