Телепортация на атомном уровне
Ученые из Соединенных Штатов и Австрии независимо друг от друга осуществили квантовую телепортацию одиночных атомов. Информация об этих экспериментах содержится в двух статьях, которые 17 июня появились в журнале Nature.
Когда физики говорят о телепортации, они вовсе не имеют в виду мгновенную транспортировку вещей и живых существ на далекие расстояния, о которой так много пишут авторы фантастических романов. В современном научном жаргоне этот термин означает перенос состояния одного квантового объекта на другой. Очень важно, что такой перенос происходит без каких-либо физических посредников и поэтому ничем не напоминает, скажем, ксерокопирование документов. Принципиальная возможность подобного переноса, который и получил название квантовой телепортации, была осознана в начале девяностых годов прошлого века, а несколькими годами позже его удалось осуществить и на практике. Пионерами в этом деле стали сотрудники Института экспериментальной физики Венского университета во главе с Антоном Цайлингером, которые нашли возможность телепортировать кванты света, фотоны. С тех пор аналогичные результаты были получены и в других лабораториях, так что фотонная телепортация теперь стала для физиков вполне привычным делом. Однако до сих пор еще никому не удавалось телепортировать столь тяжелые (конечно, по меркам микромира) объекты, как атомы с многонуклонными ядрами. Физики из американского Национального института стандартов и технологии добились успеха с ионами бериллия-9, а их коллеги из Университета Инсбрука работали с еще более массивными ионами кальция-40.
Поведение каждой квантовой системы, будь то фотон, элементарная частица, атом или молекула, описывается некоторым набором параметров - квантовых чисел. Такие параметры в своей совокупности обеспечивают всю полноту информации об объекте, достижимую в рамках квантовой механики. Например, одиночный электрон, свободно летящий в пустом пространстве, описывается всего двумя квантовыми числами - импульсом и спином. Для полного описания электрона, входящего в состав атома водорода, нужны уже четыре параметра: главное квантовое число, которое определяет его энергию; орбитальное квантовое число, которое задает величину углового момента электрона; магнитное квантовое число, которое характеризует ориентацию этого момента; и, наконец, опять-таки спин. Другие квантовые объекты могут требовать иных квантовых чисел, однако логика этого описания во всех случаях одна и та же.
Полный набор квантовых чисел любого квантового объекта (будем ради простоты называть его частицей) как раз и называется его состоянием. Можно сказать, что телепортация означает наделение частицы X квантовыми числами частицы Y (следует подчеркнуть, что эта операция разрушает то состояние исходной частицы, в котором она находилась до телепортации). А поскольку набор таких чисел как раз и задает все физически доступные сведения о частице, телепортация оказывается очень эффективным способом передачи информации между квантовыми объектами. Не удивительно, что этим эффектом очень интересуются разработчики квантовых компьютеров, которые рассчитывают использовать его в своих устройствах.
Все без исключение эксперименты по квантовой телепортации основаны на использовании частиц, находящихся в "спутанных" состояниях (entangled states). Этим странновато звучащим термином обозначают квантовые объекты, поведение которых настолько скоррелировано, что изменения, происходящие с одной частью системы, немедленно сказываются на состоянии другой ее части, даже если она находится в совсем иной области пространства. Другими словами, "спутанные" частицы связаны несиловым взаимодействием, скорость которого не имеет верхнего предела. Надо подчеркнуть, что это парадоксальное свойство квантовомеханических систем ни в малейшей степени не противоречит фундаментальному положению специальной теории относительности, согласно которому скорость передачи любых сигналов не может превышать скорости света.
А теперь рассмотрим принципиальную схему обоих экспериментов, и американского, и австрийского (деталями они различались). Оба научных коллектива работали с плененными в ловушках ионами, которыми они манипулировали с помощью лазерных импульсов. В этих условиях динамику каждой частицы можно было описывать с помощью лишь одного квантового параметра - спина. Величина спина у каждой частицы была одной и той же, а вот его направление могло меняться. Интересно, что каждый акт телепортации занимал лишь 4 миллисекунды, причем он осуществлялся по командам компьютера.
В первой фазе эксперимента формировалась пара двух "спутанных" ионов - назовем их А и В. На следующем этапе в игру вводился третий ион Р, состояние которого и подлежало переносу. Затем "проводилось совместное измерение состояний ионов А и Р, которые перед этим также подвергались "спутыванию"; результат этого измерения с помощью лазерных лучей переправлялся иону В. После всех этих операций ион В оказывался приблизительно в том самом состоянии, в котором первоначально находился его собрат Р. Эти стадии атомной телепортации представлены на иллюстрации.
Слово "приблизительно" употреблено здесь отнюдь не зря. Дело в том, что спин свежеприготовленного иона Р не смотрел ни вверх, ни вниз, а осциллировал между этими направлениями. Выражаясь формально, его исходное состояние было суперпозицией двух базисных состояний, в одном из которых вектор спина ориентирован вертикально вверх, а в другом - вертикально вниз. Такое смешанное состояние отличается сильной изначальной неопределенностью, сохранившейся и после телепортации. У австрийцев точность переноса информации с иона Р на ион В составила 75%, а у американцев - 78%. Если бы экспериментаторы не использовали "спутанные" пары частиц, то достоверность телепортации не могла бы превысить теоретически возможного максимума, равного 2/3 - 66,6 %.
Источники:
M. Riebe, H. Haffner, C. F. Roos, W. Hansel, J. Benhelm, G. P. T. Lancaster, T. W. Korber, C. Becher, F. Schmidt-Kaler, D. F. V. James & R. Blatt
Deterministic quantum teleportation with atoms
Nature 429, 734-737 (2004)
M. D. Barrett, J. Chiaverini, T. Schaetz, J. Britton, W. M. Itano, J. D. Jost, E. Knill, C. Langer, D. Leibfried, R. Ozeri & D. J. Wineland
Deterministic quantum teleportation of atomic qubits
Nature 429, 737-739 (2004)
Обсудить
Статьи по теме
Телепортация на атомном уровне
Ученые из Соединенных Штатов и Австрии независимо друг от друга осуществили квантовую телепортацию одиночных атомов. Принципиальная возможность подобного процесса была осознана в начале девяностых годов прошлого века. Этим эффектом очень интересуются разработчики квантовых компьютеров, которые рассчитывают использовать его в своих устройствах.
Впервые получены триплеты и квартеты спутанных световых квантов
Независимо друг от друга физики из Канады и Австрии впервые получили системы "спутанных" световых квантов, в которые объединено более двух частиц. Исследователи из Университета Торонто изготовили тройку "спутанных" фотонов, а их коллеги из Венского университета - четверку.
Шагающий наноробот
Двое химиков из Нью-Йоркского университета впервые в мире создали прямоходящего двуногого наноробота. В качестве исходного материала Надриан Симан и Уильям Шерман воспользовались мелкими фрагментами двухцепочечных и одноцепочечных молекул ДНК.
Открыт эффект, который позволит изготавливать наномашины
Американские ученые превратили одиночные углеродные нанотрубки в идеально действующий конвейер, способный переносить отдельные атомы. Вероятно, подобные устройства найдут широкое применение в технологиях изготовления наномашин, которые сейчас усиленно разрабатываются во многих странах.
Безделушки из наночастиц предвещают технологический переворот
Физики из Китая, Японии и США научились создавать внутри стеклянных пластинок объемные структуры, составленные из золотых наночастиц.
Американские физики научились создавать электронные приборы из отдельных молекул
Американские физики провели серию экспериментов, которые впервые позволили наносить по одному атому на единственную многоатомную молекулу. Дальнейшие исследования в этой области обещают значительно расширить возможности электронных технологий близкого будущего. Стандартными строительными блоками следующих поколений электронных приборов, по всей вероятности, станут отдельные крупные молекулы, а их придется легировать с помощью абсолютно новых технологий.
Механическая "рука" вплотную приблизилась к квантовому пределу
Узнать, на самом ли деле действие принципа неопределенности распространяется на макроскопические объекты, было основной целью американских экспериментаторов. Они изучали движения вибрирующего механического манипулятора, изготовленного из нитрида кремния. Размер изучаемого объекта в эксперименте не превышал 8 мкм - то есть "рука" была совсем крошечной по обыденным масштабам, однако все еще оставалась макроскопическим объектом. Мы находимся в начале новой экспериментальной эры, когда взаимодействие между двумя полностью квантовыми системами может быть изучено экспериментально, что вполне может быть названо квантовой электромеханикой.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Бозон Хиггса потяжелел
Международный коллектив физиков, работающих на гигантском американском протон-антипротонном коллайдере "Тэватрон", заново измерил массу t-кварка, которая оказалась несколько больше ранее принятого значения. Это объясняет негативный результат экспериментов по поиску так называемого бозона Хиггса, которые в конце прошлого десятилетия проводились в ЦЕРНе.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Музыка сверххолодных атомов
Американские ученые из Университета Дьюка экспериментально наблюдали сверхтекучесть вырожденного квантового газа, образованного атомами с полуцелыми спинами. Они работали с резонансным конденсатом, созданным из атомов лития-6. Именно эту новую форму квантового конденсата несколько месяцев назад впервые получила группа Деборы Джин.
Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов
Американские ученые сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата", составленного из пар атомов в охлажденном газе. В течение ряда лет существовало мнение о родственности явлений сверхпроводимости (с которой связаны фермионы) и бозе-конденсации. Теперь это может помочь в создании сверхпроводящих материалов, имеющих самое широкое практическое применение.
В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Физики из Пенсильванского университета получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. Это означает, что теперь можно наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах.
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Новости по теме
