תקשורת קוונטית

תהליך פיתוח

בשנת 1993, CHBennett לשים קדימה את הרעיון של תקשורת קוונטית; באותה שנה, 6 מדענים ממדינות שונות הציעו תוכנית למימוש טלפורטציה קוונטית על ידי שילוב שיטות קלאסיות וקוונטיות: העברת המצב הקוונטי הלא ידוע של חלקיק למקום אחר במקום אחד, חלקיק אחר מוכן למצב הקוונטי, בעוד החלקיק המקורי נשאר במקומו. הרעיון הבסיסי הוא לחלק את המידע המקורי לשני חלקים: מידע קלאסי ומידע קוונטי, המשודרים למקלט דרך הערוץ הקלאסי והערוץ הקוונטי בהתאמה. השולח מקבל מידע קלאסי המבצע מדידה כלשהי על החומר המקורי, ומידע קוונטי הוא שאר המידע שהשולח לא הוציא במהלך המדידה; המקלט יכול להכין את המצב הקוונטי המקורי לאחר קבלת שני סוגים אלה של מידע שהועתק במלואו. בתהליך זה, רק המצב הקוונטי של החומר המקורי מועבר, לא החומר המקורי עצמו. השולח אפילו לא יכול לדעת דבר על המצב הקוונטי הזה, בעוד המקלט שם חלקיקים אחרים במצב הקוונטי של החומר המקורי. בתוכנית זו, אי-ההתניות של מדינות מסתבכים ממלאת תפקיד חשוב ביותר. טלפורטציה קוונטית חשובה לא רק בתחום הפיזיקה כדי שאנשים יבינו ויחשפו את חוקי הטבע המסתוריים, אלא גם יוכלו להשתמש במצב קוונטי כנשא מידע כדי להשלים את העברת המידע בעל הקיבולת הגדולה באמצעות העברת המצב הקוונטי, ותשיג באופן עקרוני תקשורת קוונטית סודית בלתי ניתנת לפענוח.

ב-1997, פאן ג'יאנווי, מלומד סיני צעיר הלומד באוסטריה, שיתף פעולה עם החוקר ההולנדי בומיסטר ואחרים כדי לממש את השידור המרוחק של מדינות קוונטיות לא ידועות בפעם הראשונה. זו הפעם הראשונה בעולם שמדינה קוונטית הועברה בהצלחה מפוטון בכדור הארץ א' לפוטון בכדור הארץ ב'. בניסוי, רק "המצב" של המידע הקוונטי מבוטא, והפוטון עצמו כנשא מידע אינו משודר.

בשנת 2012, המדען הסיני פאן Jianwei ואחרים השיגו בהצלחה את 100 הקילומטרים הראשונים של טלפורטציה קוונטית בחלל חופשי והפצה הסתבכות בעולם, הנחת הבסיס הטכני לשיגור הראשון בעולם "לוויין תקשורת קוונטית". כתב העת האקדמי הבינלאומי "Nature" התמקד בהישג זה ב-9 באוגוסט. "שידור מוצלח של 100 ק"מ על קרקע עם אובדן רב אומר שמרחק השידור בחלל עם אובדן נמוך יכול להגיע ליותר מ-1,000 ק"מ, ובעצם לפתור את הבעיה של העברת מידע למרחקים ארוכים של לווייני תקשורת קוונטית". חבר צוות המחקר פנג Chengzhi אמר כי Quantum פריצת הדרך בטכנולוגיית הליבה של לווייני תקשורת גם מראה כי מבחינה טכנית זה אפשרי לבנות רשת תקשורת קוונטית גלובלית בעתיד. ב-9 באוגוסט התמקד כתב העת האקדמי הבינלאומי "טבע" בהישג זה, המייצג את ההכרה הכללית שלו בקהילה האקדמית הבינלאומית. מגזין Nature אמר כי הוא "מבטיח להפוך לאבן דרך של תקשורת קוונטית למרחקים ארוכים", "לקראת רשת קוונטית גלובלית", אתר האינטרנט של החברה הפיזיתרפיה האירופית, מגזין "חדשות המדע" של ארצות הברית ודיווחים מיוחדים אחרים.

תוכן בסיסי

התקשורת הקוונטית לכאורה מתייחסת לסוג חדש של שיטת תקשורת המשתמשת באפקט ההסתבכות הקוונטית כדי לשדר מידע. זהו פיתוח בינתחומי חדש שפותח בשני העשורים האחרונים ותחום מחקר חדש המשלב תורת קוונטים ותוריית מידע.

תקשורת קוונטית אופטית מבוססת בעיקר על התיאוריה של מצבים קוונטיים הסתבכים, באמצעות טלפורטציה קוונטית (שידור) כדי להשיג העברת מידע. על פי אימות ניסיוני, לא משנה כמה רחוקים שני חלקיקים עם מצבים מסובך, כל עוד אחד משתנה, השני ישתנה גם באופן מיידי. תהליך השימוש בתכונה זו כדי להבין תקשורת קוונטית אופטית הוא כדלקמן: זוג חלקיקים עם מצבים מסובך בנויים מראש. שני החלקיקים ממוקמים משני צידי התקשורת, והחלקיקים בעלי מצב קוונטי לא ידוע וחלקיקים של השולח נמדדים במשותף (פעולה), וחלקיקים של המקלט קורסים מיידית (שינוי), והקריסה (שינוי) נמצאת במצב מסוים. מצב זה סימטרי עם מצב חלקיקי השולח לאחר קריסה (שינוי), ולאחר מכן מידע המדידה המשותף מועבר למקלט דרך הערוץ הקלאסי, והמקלט מבצע טרנספורמציה חברתית על החלקיקים מכווצים על פי המידע שהתקבל (שווה ערך לשינוי ההפוך), באפשרותך לקבל את אותו מצב קוונטי לא ידוע כמו השולח.

בהשוואה לתקשורת קוונטית אופטית, לא ניתן להשוות תקשורת קלאסית לאבטחה ויעילותה. תקשורת ביטחונית-קוונטית לעולם לא "תדלף". המפתח להצפנה קוונטית הוא אקראי. גם אם הוא יורט על-ידי אדם גנוב, לא ניתן להשיג את המפתח הנכון, כך שלא ניתן לפצח את המידע. שני חלקיקים עם מצבים הסתבכים ביד אחד, המצב הקוונטי של אחד החלקיקים משתנה, המצב הקוונטי של הצד השני ישתנה באופן מיידי, ועל פי תורת הקוונטים, כל תצפית מאקרוסקופית והפרעה מיד תשנה את המצב הקוונטי, וגרמה לו להתמוטט, כך שהמידע שהושג על ידי הגנבים עקב ההפרעה הושמד, ולא המידע המקורי. יעיל, המצב הקוונטי הלא ידוע המשודר יהיה במצב מסובך לפני שנמדד, כל כך, הוא מייצג מצבים מרובים בו-זמנית, לדוגמה, מצב קוונטי יכול לייצג שני מספרים 0 ו- 1 בו-זמנית, 7 מצבים קוונטיים כאלה יכולים לייצג 128 מצב בו-זמנית או 128 ספרות: 0~ 127. שידור כזה של תקשורת קוונטית אופטית שווה ערך ל-128 פעמים משיטת התקשורת הקלאסית. זה מתקבל על הדעת שאם רוחב הפס של השידור הוא 64 סיביות ומעלה, אז ההבדל ביעילות יהיה כוח מדהים של 2 עד N, ומעלה.

הנה הסבר נוסף להסתבכות קוונטית. ניתן להבין את ההסתבכות הקוונטית עם "החתול של שרדינגר": כאשר אתה שם חתול בקופסה המכילה רעל, ואז מכסה את הקופסה, לאחר זמן מה, שואל אם החתול חי או מת? קוונטים התשובה לפיזיקה היא: היא גם חיה וגם חיה. יש אנשים ש יגידו שאתה לא יודע אם אתה פותח את הקופסה ומסתכל עליה. כן, תדעו אם החתול חי או מת כשתפתחו את הקופסה, אבל על פי הפרשנות של פיזיקת הקוונטים: מצב חי או מת זה הוא תוצאה של התבוננות אנושית, כלה הפרעות מאקרו אנושיות הופכות חתולים למתים או חיים, לא למצב האמיתי כאשר הקופסה מכוסה. באופן דומה, חלקיקים מיקרוסקופיים היו במצבים "מתים" ו"חיים" לפני שהם "מופרעים" ניתן לומר שזה גם "0" וגם "1".

לתקשורת קוונטית יש מאפיינים של יעילות גבוהה ואבטחה מוחלטת, והיא הנקודה החמה של מחקר של פיזיקת הקוונטים הבינלאומית ומדעי המידע ברגע זה. כדי לאתר את מקור התקשורת הקוונטית, עלינו להתחיל עם הראיות ל"רוח הרפאים" של איינשטיין, הסתבכות קוונטית.

מכיוון שאנשים היו סקפטיים לגבי האינטראקציה בין חלקיקים מסתבכים, פיזיקאים מנסים לאמת אם המאפיין הקסום הזה נכון כבר עשרות שנים.

בשנת 1982, הפיזיקאי הצרפתי אלן היבט וצוותו השלימו בהצלחה ניסוי שאימת את קיומה של תופעת "הסתבכות קוונטית" של חלקיקים מיקרוסקופיים. מסקנה זו משפיעה באופן משמעותי על השקפת העולם המיינסטרים של המדע המערבי. מאז דקארט, גלילאו וניוטון, החשיבה המיינסטרים של הקהילה המדעית המערבית מאמינה שמרכיבי היקום אינם תלויים זה בזה, והאינטראקציה ביניהם מוגבלת על ידי מרחב וזמן (כלשהם, מקומי). הסתבכות קוונטית מאשרת את קיומה של פעולתו המפחידה של איינשטיין במרחק. זה מוכיח כי בין כל שני חומרים, לא משנה כמה רחוק, הם עשויים להשפיע אחד על השני ולא מושפעים על ידי מרחב-זמן ארבעה מימדי. האילוץ אינו פנימי, וליקום יש קשרים פנימיים עמוקים בעולם.

על בסיס תורת ההסתבכות הקוונטית, בשנת 1993, הציע המדען האמריקאי סי.אייץ' בנט את הרעיון של תקשורת קוונטית (טלפורטציה קוונטית). תקשורת קוונטית היא שיטת תקשורת הנושאת מידע לפי מצבים קוונטיים. היא משתמשת בעקרון ההסתבכות הקוונטית של חלקיקים יסודיים כגון פוטונים כדי ליישם תהליך תקשורת מאובטח. הצגת המושג תקשורת קוונטית גרמה לתועלת ההסתבכות הקוונטית"מפחידה" של איינשטיין להתחיל להפעיל את כוחה האמיתי.

ב-1993, לאחר שבנט הציע את הרעיון של תקשורת קוונטית, שישה מדענים ממדינות שונות, המבוססים על תיאוריית ההסתבכות הקוונטית, הציעו להשתמש בשיטות קלאסיות וקוונטיות כדי להשיג טלפורטציה קוונטית, כלהי, הקוונטום הלא ידוע של חלקיק שהמדינה מועברת למקום אחר, וחלקיק נוסף מוכן למצב הקוונטים, והחלקיק המקורי נשאר במקומו. זו התוכנית הבסיסית המקורית של תקשורת קוונטית. טלפורטציה קוונטית חשובה לא רק בתחום הפיזיקה כדי שאנשים יבינו ויחשפו את חוקי הטבע המסתוריים, אלא גם יוכלו להשתמש במצבים קוונטיים כנשאי מידע כדי להשלים את העברת המידע בעל הקיבולת הגדולה באמצעות העברת מצבים קוונטיים כדי להשיג קוונטום בלתי ניתן לפענוח באופן עקרוני. תקשורת סודית.

בשנת 1997, החוקר הצעיר הסיני פאן ג'אנווי שלמד באוסטריה שיתף פעולה עם החוקר ההולנדי בומיסטר ואחרים כדי לממש את השידור המרוחק של מדינות קוונטיות לא ידועות בפעם הראשונה. זו הפעם הראשונה בעולם שמדינה קוונטית הועברה בהצלחה מפוטון בכדור הארץ א' לפוטון בכדור הארץ ב'. בניסוי, רק "המצב" של המידע הקוונטי מבוטא, והפוטון עצמו כנשא המידע אינו משודר.

לאחר יותר מ-20 שנות פיתוח, המשמעת של תקשורת קוונטית עברה בהדרגה מהתיאוריה לניסויים ופיתוח מעשי. השדות העיקריים המעורבים כוללים: תקשורת הצפנה קוונטית, טלפורטציה קוונטית מרחוק, וקידוד קוונטי צפוף.

מערכות תקשורת קוונטית מחולקות לשתי קטגוריות בהתאם לשאלה אם המידע שהן משדרות הוא קלאסי או קוונטי. הראשון משמש בעיקר להעברת מפתחות קוונטיים, בעוד שהאחרון יכול לשמש להפצה של טלפורטציה קוונטית והסתבכות קוונטית. השידור הבלתי נראה לכאורה מתייחס למעין שידור מידע "מלא" המופרד מהדבר האמיתי. מנקודת המבט של הפיזיקה, ניתן לדמיין את תהליך השידור הבלתי נראה כדלקמן: תחילה לחלץ את כל המידע של המקור, ולאחר מכן לשדר את המידע למקום המקבל, והמקבל בוחר את אותה יחידה בסיסית המהווה את המקורי בהתבסס על המידע, ומייצר העתק מושלם של המקור. עם זאת, עקרון אי הוודאות של מכניקת הקוונטים אינו מאפשר חילוץ מדויק של כל המידע של המקור, ועותק משוכפל זה לא יכול להיות מושלם. אז במשך זמן רב, שיגור היה רק פנטזיה.

ב-1993, שישה מדענים ממדינות שונות הציעו תוכנית המשתמשת בשיטות קלאסיות וקוונטיות כדי להשיג טלפורטציה קוונטית: להעביר את המצב הקוונטי הלא מוכר של חלקיק למקום אחר ולהכין חלקיק נוסף למצב הקוונטי, החלקיקים המקוריים נשארים במקומם. הרעיון הבסיסי הוא לחלק את המידע המקורי לשני חלקים: מידע קלאסי ומידע קוונטי, המשודרים למקלט דרך הערוץ הקלאסי והערוץ הקוונטי בהתאמה. מידע קלאסי מתקבל על-ידי השולח הנותח מדידה מסוימת של החומר המקורי, ומידע קוונטי הוא שאר המידע שהשולח לא הוציא במדידה; לאחר המקלט השיג שני סוגים אלה של מידע, המצב הקוונטי המקורי יכול להיות מוכן עותק משוכפל לחלוטין. בתהליך זה, רק המצב הקוונטי של החומר המקורי מועבר, לא החומר המקורי עצמו. השולח אפילו לא יכול לדעת דבר על המצב הקוונטי הזה, בעוד המקלט שם חלקיקים אחרים במצב הקוונטי המקורי.

בתוכנית זו, אי-המקום של מדינות מסתבכים ממלא תפקיד מכריע. מכניקת הקוונטים היא תיאוריה לא מקומית, שאושרה על ידי תוצאות ניסיוניות המפרות את אי השוויון של בל. לכן, מכניקת הקוונטים מציגה אפקטים מנוגדים לאינטואיציה רבים. במכניקת הקוונטים, ניתן להכין שתי מצבי חלקיקים באופן כזה שהיחסים ביניהם לא יכולים להיות מוסברים באופן קלאסי. מדינה כזו נקראת מצב מסובך. הסתבכות קוונטית מתייחסת לאינטראקציה בין שתי מערכות קוונטיות או יותר, לא-מקומיות, לא-קלאסיות. טלפורטציה קוונטית חשובה לא רק לאנשים להבין וחושף את חוקי הטבע המסתוריים בתחום הפיזיקה, אלא גם יכולה להשתמש במצב קוונטי כנושא מידע כדי לממש את העברת המידע בעל הקיבולת הגדולה באמצעות העברת המצב הקוונטי, שאינו ניתן לפענוח עקרונית. תקשורת קוונטית סודית.

ב-1997, פאן ג'אנווי, מלומד סיני צעיר הלומד באוסטריה, והמלומד ההולנדי בומיסטר וכו', שיתף פעולה לראשונה כדי לממש את השידור למרחקים ארוכים של מדינות קוונטיות לא ידועות. זו הפעם הראשונה בעולם שמדינה קוונטית הועברה בהצלחה מפוטון בכדור הארץ א' לפוטון בכדור הארץ ב'. מה ששודר בניסוי היה רק כדי לבטא את "המצב" של מידע קוונטי, והפוטון עצמו כנשא מידע לא שודר. עד מהרה, פאן ג'אנווי ומשתפי הפעולה שלו עשו פריצות דרך חדשות במחקר של איך לטהר מצבים קוונטיים באיכות גבוהה. עבור טלפורטציה של מצבים קוונטיים על פני מרחקים ארוכים, לעתים קרובות יש צורך לאפשר לשני מקומות רחוקים לחלוק את המצב הקוונטי הגדול ביותר המסתבך מראש. עם זאת, בשל רעשים סביבתיים בלתי נמנעים שונים, איכות המדינות המסתבכים קוונטית תיחמיר ככל שירחק השידור יגדל. לכן, כיצד לטהר מצבים קוונטיים באיכות גבוהה הסתבכות היא נושא חשוב במחקר תקשורת קוונטית ברגע זה.

קבוצות מחקר בינלאומיות רבות עובדות על נושא זה, והציעו סדרה של פתרונות תיאורטיים לטיהור מדינות קוונטיות, אך אף אחת מהן לא יכולה להיות מושגת עם טכנולוגיה קיימת. מאוחר יותר, פאן ג'אנווי ואחרים גילו את הפתרון התיאורטי של טיהור מצב קוונטי מסובך, הניתן לניסויים באמצעות הטכנולוגיה הקיימת, ובאופן עקרוני פתרו את הבעיה הבסיסית של תקשורת קוונטית למרחקים ארוכים כיום. הישג מחקר זה הוערך מאוד על ידי הקהילה המדעית הבינלאומית ונקראו "קפיצה במחקר תקשורת קוונטית למרחקים ארוכים".