Квантовое чудо. Ученым впервые удалось телепортировать энергию — объясняем, как это работает
Научпоп5 марта 2023, 20:03
Квантовые компьютеры — машины, в которых спрятан невероятный потенциал для человечества. Недавно мы рассказывали, как ученые со всего мира работают над тем, чтобы квантовая эра наступила как можно скорее.
Одним из направлений, над которым активно работают исследователи, является разработка квантового интернета. Не стоит путать его с современной веб-сетью — это скорее взаимосвязь между квантовыми устройствами, объединенными в единую сеть. Эта связь гипотетически позволит работу т.н. модульного квантового компьютера, работающего благодаря не одному, а несколькими процессорами.
Такая трансформация поможет разбить крупномасштабную квантовую вычислительную систему на несколько меньших модулей. Это обеспечит большую масштабируемость систем, их гибкость, облегчит конструирование и поддержку работы, а также снизит общую стоимость разработки и построения квантовых компьютеров.
Однако недавнее исследование физика Казуки Ихеда из американского Университета Стоуни Брук продемонстрировало еще одно потенциальное направление использования квантового интернета — телепортация энергии. Звучит футуристически, да?
Подпишитесь на NV Премиум и читайте без ограничений
Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой
Все начинается с квантовой запутанности. Это особая связь между двумя или более квантовыми частицами, благодаря которой они взаимодействуют между собой независимо от разделяющего их расстояния.
Это основа работы квантового компьютера, главная сила которого — запутанные между собой кубиты. Благодаря этой связи они становятся как бы единым целым, и любое изменение состояния одного из кубитов немедленно повлечет за собой такое же изменение в другом. Именно эта особенность и позволяет квантовым компьютерам проводить сверхсложные вычисления в считанные секунды.
Однако 13 лет назад японский физик Масахиро Хотта из Университета Тохока решил пойти дальше и предложил идею квантовой телепортации энергии. Он предположил, что если связанные между собой кубиты могут передавать информацию на любое расстояние, то почему то же невозможно воспроизвести и с энергией?
Ключевая идея телепортации квантовой энергии состоит в том, что энергия любой квантовой системы постоянно колеблется. Хотта утверждал, что эти колебания энергии могут быть использованы, а не просто наблюдать за ними. По его мнению, измерение состояния одной частицы неизбежно вводит в систему из запутанных частиц энергию. Если после этого произвести измерение другой частицы из системы, эту энергию теоретически можно получить — при этом энергия не будет двигаться сквозь другие частицы. Если гипотеза верна, то именно таким образом должна проходить телепортация энергии, писал физик.
Для проверки гипотезы ему требовались запутанные квантовые частицы. Возможности поработать с квантовым компьютером у него не было — тогда эти машины только начинали создавать, и доступ к ним имела лишь небольшая часть исследователей.
Однако сейчас технология квантовой связи гораздо более развита, чем в 2010-м году, когда Хотта изложил свою гипотезу. Это позволило Икеди развить идеи Хотты — для первых экспериментов ученый использовал квантовые компьютеры IBM, написав для них алгоритм, олицетворявший теорию своего предшественника. Результаты своей работы он опубликовал в статье.
Запустив алгоритм на квантовом компьютере, ученый взял два спутавшихся между собой кубита и сгенерировал третий «виртуальный» кубит. Затем с помощью определенной последовательности операций и измерений Икеда сумел передать 85% энергии из одного кубита другому — остальные 15% были потеряны во время телепортации.
Эта операция прошла без какого-либо перемещения частиц — именно квантовая запутанность позволила осуществить телепортацию энергии. Физик проверил, что передача энергии была успешной, измерив состояние первых двух кубит и наблюдая за влиянием на третий куб: «Результаты полностью согласуются с теорией», — говорит Икеда.
Фактически ему удалось телепортировать энергию на расстояние, равное размеру компьютерного чипа. Однако Икеда уверен, что вскоре он сможет телепортировать энергию на гораздо большие расстояния. «Способность передавать квантовую энергию на большие расстояния приведет к новой революции в квантовых коммуникационных технологиях», — говорит ученый.