Возможна ли телепортация? Да, в квантовом мире

В то время как телепортация материальных объектов существует только в научной фантастике, телепортация возможна в субатомном мире квантовой механики — хотя и не так, как обычно изображается по телевизору. В квантовом мире телепортация связана с транспортировкой информации, а не с транспортировкой материи.

В прошлом году ученые подтвердили, что информация может передаваться между фотонами на компьютерных чипах даже тогда, когда фотоны физически не связаны.

Теперь, согласно новым исследованиям из Университета Рочестера и Университета Пердью, телепортация также может быть возможна между электронами.

В статье, опубликованной в Nature Communications и в Physical Review X, физики исследуют новые способы создания квантово-механических взаимодействий между удаленными электронами. Это исследование является важным шагом в совершенствовании квантовых вычислений, которые, в свою очередь, могут революционизировать технологии, медицину и науку, предоставляя более быстрые и эффективные процессоры и датчики.

«Жуткое действие на расстоянии»

Квантовая телепортация — это демонстрация того, что Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии«, также известным как квантовая запутанность.

В запутанности — одном из основных понятий квантовой физики, свойства одной частицы влияют на свойства другой, даже когда частицы разделены сколь угодно большим расстоянием. Квантовая телепортация включает в себя две отдаленные, запутанные частицы, в которых состояние третьей частицы мгновенно «телепортирует» свое состояние к двум запутанным частицам.

Квантовая телепортация является важным средством передачи информации в квантовых вычислениях. В то время как обычный компьютер состоит из миллиардов транзисторов, называемых битами, квантовые компьютеры кодируют информацию в квантовых битах, или кубитах.

Бит имеет единственное двоичное значение, которое может быть либо «0», либо «1», но кубиты могут быть как «0», так и «1» одновременно. Способность кубитов одновременно занимать несколько состояний лежит в основе огромной потенциальной мощи квантовых компьютеров.

Ученые недавно продемонстрировали квантовую телепортацию, используя фотоны для создания дистанционно запутанных пар кубитов.

Кубиты, сделанные из отдельных электронов, однако, также перспективны для передачи информации в полупроводниках.

«Отдельные электроны являются перспективными кубитами, потому что они очень легко взаимодействуют друг с другом, и отдельные электронные кубиты в полупроводниках также масштабируются», — говорят ученые. «Надежное создание межэлектронных взаимодействий на больших расстояниях очень важно для квантовых вычислений.»

Однако создание запутанных пар электронных кубитов, которые охватывают большие расстояния, что необходимо для телепортации, оказалось сложной задачей: в то время как фотоны естественным образом распространяются на большие расстояния, электроны обычно ограничены одним местом.

Запутанные пары электронов

Чтобы продемонстрировать квантовую телепортацию с помощью электронов, ученые использовали недавно разработанную технику, основанную на принципах гейзенбергской обменной связи.

Отдельный электрон подобен стержневому магниту с Северным и Южным полюсами, которые могут указывать либо вверх, либо вниз. Направление полюса — например, направлен ли Северный полюс вверх или вниз — известно как магнитный момент электрона или квантовое спиновое состояние.

Если определенные виды частиц имеют одинаковый магнитный момент, они не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. То есть два электрона в одном и том же квантовом состоянии не могут «сидеть» друг на друге. Если бы они это сделали, их состояния менялись бы во времени взад и вперед.

Исследователи использовали этот метод для распределения запутанных пар электронов и телепортации их спиновых состояний.

«Мы предоставляем доказательства «обмена запутанностью», в котором мы создаем запутанность между двумя электронами, даже если частицы никогда не взаимодействуют, и «квантовой телепортации ворот», потенциально полезной техники для квантовых вычислений с использованием телепортации», — говорят ученые. «Наша работа показывает, что это можно сделать даже без фотонов.»

Полученные результаты прокладывают путь для будущих исследований квантовой телепортации, включающей спиновые состояния всей материи, а не только фотонов, и дают больше доказательств удивительно полезных возможностей отдельных электронов в кубитных полупроводниках.

Haifeng Qiao et al, Conditional teleportation of quantum-dot spin states, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-16745-0