"Лишние" измерения теории суперструн.
Теория суперструн требует существования десятимерного пространства. В определённый момент в сети стали появляться статьи и видеоролики, пытающиеся объяснить природу «лишних» измерений (здесь и далее я «лишними» измерениями называю те, которые не относятся к привычной нам ортогональной координатной троице и времени) через вероятности происшествия событий, параллельные реальности, которые возникают при броске монетки и так далее. Достаточно часто такие статьи появлялись в контексте теории суперструн.
Я сразу хочу оговориться, что теорию струн я изучал ровно настолько, чтобы удовлетворить собственный интерес относительно природы «лишних» измерений и готов поделиться краткими и максимально упрощёнными до уровня «на пальцах» выводами.
СУТЬ ТЕОРИИ СУПЕРСТРУН
Согласно теории суперструн элементарные компоненты Вселенной не являются точечными частицами, а представляют собой крошечные микроскопические волокна, подобные бесконечно тонким, непрерывно вибрирующим резиновым лентам. Элементарные компоненты теории суперструн имеют размер сопоставимый с планковской длиной.
Для того, чтобы представить себе колебания фундаментальных струн можно обратиться к струнам какого-либо музыкального инструмента. Каждая струна может совершать бесконечное число резонансных колебаний – колебаний, при которых между концами струны укладывается целое число максимумов и минимумов.
Основное утверждение теории струн таково. Точно так же, как различные моды резонансных колебаний скрипичных струн рождают различные музыкальные ноты, различные моды колебаний фундаментальных струн порождают различные массы и константы взаимодействия.
Легче всего понять эту ассоциацию для массы частицы. Энергия конкретной моды колебания струны зависит от ее амплитуды — максимального расстояния между максимумами и минимумами, и от длины волны — расстояния между двумя соседними пиками. Чем больше амплитуда и чем короче длина волны, тем больше энергия.
"ЛИШНИЕ" ИЗМЕРЕНИЯ ТЕОРИИ СУПЕРСТРУН
По мере развития математического аппарата теории суперструн в результатах вычислений стали появляться бесконечности, отрицательные вероятности и прочие противоречия, которые способны убить любую физическую теорию. Но тем не менее исследования показали, что теория струн требует, чтобы Вселенная имела дополнительные измерения. Уравнения, следующие из теории струн существенно ограничивают геометрическую форму, которую могут принимать дополнительные измерения. Так же известно, что геометрия дополнительных измерений определяет фундаментальные физические свойства, такие как массы частиц и заряды.
МУРАВЕЙ НА ШЛАНГЕ, ИЛИ ТЕОРИЯ КАЛУЦЫ-КЛЕЙНА
В 1921 году немецкий математик Теодор Калуца опубликовал теорию, в рамках которой расширил привычное ныне нам пространство-время до пяти измерений. В литературе встречается объяснение этого расширения через садовый шланг и муравья. Со значительного расстояния садовый шланг выглядит как одномерный объект и сложно оценить его обхват. Наблюдая за шлангом издалека, можно подумать, что если бы на нём жил муравей, у него было бы одно измерение для прогулок: влево-вправо вдоль шланга. Если бы нам задали вопрос о местонахождении муравья, было бы достаточно указать только одно число – расстояние от муравья до какого-либо конца шланга. Но нам известно, что шланг имеет ещё и обхват. Соответственно, у муравья есть два независимых направления для прогулок. Одно направление – влево и вправо по длине шланга, а второе – это измерение «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки», расположенное по окружности шланга. Таким образом, чтобы указать местоположение муравья, нам необходимо указать два числа: положение муравья вдоль длины шланга и его место на окружности. Ключевое отличие этих измерений заключается в протяженности длины шланга и «свёрнутости» обхвата шланга.
Подобным рассуждением Теодор Калуца пришел к выводу, что пространственная структура Вселенной может содержать более трёх привычных нам измерений. Ввод дополнительного измерения позволил Теодору Калуце произвести объединение общей теории относительности Эйнштейна и теории электромагнитного поля Максвелла.
В 1926 году шведский физик Оскар Клейн обосновал ненаблюдаемость (компактность) пятого измерения и показал, что свёрнутые измерения могут существовать в каждой точке по протяженным измерениям нашей Вселенной.
КАК ВЫГЛЯДЯТ СВЕРНУТЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ?
В 1984 г. Филипп Канделас из университета штата Техас в г. Остине, Гари Горовиц и Эндрю Строминджер из университета штата Калифорния в г. Санта-Барбара, а также Эдвард Виттен показали, что условиям, продиктованным уравнениями теории струн удовлетворяет один конкретный класс шестимерных геометрических объектов – пространства Калаби-Яу. Известны десятки тысяч возможных видов пространств Калаби-Яу, которые удовлетворяют строгим требованиям, выдвинутым математическим аппаратом теории суперструн. Вопрос о том, какое (или какие?) из пространств Калаби-Яу соответствует нашей Вселенной остаётся открытым.
Таким образом, с точки зрения теории струн, мы живём в десятимерной Вселенной. Помимо временного измерения в ней присутствуют три протяженных ортогональных измерения и шесть свёрнутых в пространства Калаби-Яу, находящихся в каждой точке протяженных измерений нашей Вселенной.
Статья написана на основе книги Брайана Грина "Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории".
Ну и практически классический совет - курить Лурк.
Вообще речь идет о разных теориях. Там целое семейство струнных теорий.
1) Теория струн - имеет, если мне не изменяет память, 6 подвидов, в одном из которых 26 измерений, а в остальных по 10
2) Теория суперструн - дальнейшее развитие теории струн - 10 измерений
3) М-теория - попытка объединить зоопарк идей из первого и второго пункта. 11 измерений
Плюс ко всему там есть не только струны, но и браны, и кольца. То есть не только одномерные объекты.
Вообще теория очень красивая и элегантная. В М-теории мультивселенная является обычным делом, а значит данная теория предсказывает целую кучу интересных вещей вроде параллельных вселенных. Теория описывает все возможные варианты вселенных и мы пока не знаем как в этом безбрежном океане потенциальных вселенных найти именно нашу. То есть нужны некие базовые параметры присущие именно нашей вселенной с нашей физикой.
Пока же проверить ее экспериментально не представляется возможным. Но это проблема вообще всех теорий следующего поколения - они слишком сложны для нашего уровня развития техники.
Ох и забористый план у создателей этой теории.
Не математика какая-то, а фантазия.
- Товарищи чёт у нас не сходится ничего в формуле. А давайте сделаем это значение лишним. - [все] Хлоп. Хлоп. Хлоп.
Автор, спасибо за статью. Только ради таких постов и захожу на пикабу :)
И "Элегантную Вселенную" Брайана Грина как раз планирую начать читать.
Расскажите, а что Вам еще понравилось из этой книги?
Вот тут поподробнее.
И классический вопрос про теорию струн - насколько она состоятельна, если ее основные постулаты суть производное несовершенного математического аппарата. Другими словами, где граница между теорией, имеющей право на жизнь, и неопровергаемой фантазией ))
Уважаемый ТС, давайте проведем маленький мысленный эксперимент.
Есть мой палец и я сейчас на него смотрю. Согласно теории струн, каждый атом моего пальца, кроме обычных координат (назовем их так) имеет еще 6, т.н. свернутых, однако реально существующих и каждая из этих размерностей имеет бесконечное количество позиций.
X,y,z,t – обычные наши измерения
A,b,c,d,e,f – это 6 дополнительных
Вопрос.: Вот этот конкретный атом моего пальца c координатами в 10 мерном пространстве (x1,y1,z1,t1,a1,b1,c1,d1,e1,f1) и я его наблюдаю. А может ли одновременно существовать атом с координатами (x1,y1,z1,t1,a2,b1,c1,d1,e1,f1) или (x1,y1,z1,t1,a2,b2,c1,d1,e1,f1),
И при этом a2-a1 ->0 и b2-b1 - > 0.
Привет! Приглашаю вас в сообщество Лига образования (http://pikabu.ru/community/education). Ваши посты прекрасно там будут смотреться ;)
Сначала подумал, что это Sly2m написал.
Правильно я понимаю, что наличие дополнительных измерений в каждой точке всего лишь говорит о том, что
1) с некоторых точек зрения можно посмотреть на предмет с новой стороны. Не слева и справа, не снизу и сверху. Интересно, когда лепишь из пластилина, то одновременно особыми частями рук придаёшь форму и тем невидимым для нас измерениям пластилиновой фигурки?
2) Любой предмет может покоится неподвижно на оси Х и двигаться по оси Y. Значит, любой предмет, спокойно лежащий по осям X, Y, Z (например, кошка спит), одновременно может двигаться по другим осям, перпендикулярным X, Y, Z? А раз он там движется, то имеет какую то кинетическую энергию. Которую можно измерить и использовать.
3) См. картинку. Вот на столе лежит синий кубик. Мы смотрим на него прямо (рис. А), и он лежит уверенно. Мы смотрим перпендикулярно (сбоку, рис. Б), и видим, что он уже не столь уверенно лежит на краю стола и сейчас упадёт. Применимо к дополнительным измерениям предметов, это значит что любой кубик, лежащий посреди стола, может на самом деле лежит на краю в одном из перпендикулярных измерениях стола и может упасть. Что для нас будет выглядеть, что кубик просто исчезает. Встаёт вопрос о вторых носках.
Всё это на самом деле интересно, очень интересно. Но эти так называемые струны, по сути фантазия , которую и увидеть то не реально. Потому что они в туеву кучу раз меньше нано частиц, а нано ещё та мелкота.
сказать,что я нихуя не понял этого ничего не сказать
да ну ладно уже, нет никаких других измерений
это лишь теоретические выкладки из-за ошибок в математических и физических уравнениях, которые учёные выдают за новые теории
Как электрический ток заставляет гудеть провода?
Провода от электрического тока могут гудеть, а могут трещать. Остановимся на гудении.
Характерное электрическое гудение можно вспомнить из опытов с высоковольтным генератором Ван дер Графа. Вероятно, не все видели такую штуку в школе на физике. Её работа сопровождается регулярным гулом. Посмотрите в этом ролике, как оно работает. Звук похож на мечи джедаев в звёздных войнах.
Для того, чтобы это услышать характерный звук, не обязательно идти под высоковольтную линию. Иногда достаточно просто включить электрический нагреватель в розетку и прислушаться.
Далеко не все электрические нагреватели будут именно что гудеть, но некоторые этак точно начинают издавать этот странный звук. Собственно, на процесс напрямую влияет конструкция нагревательного элемента, но об этом чуть позже.
Кстати говоря, подобный эффект легко даже почувствовать пальцами, если потереть рукой раму велосипеда под высоковольтной линией электрических передач. Пальцы по раме будут не скользить, а как будто вязнуть и гудеть. При бОльшей интенсивности воздействия тока, появился бы и слышимый характерный звук.
В чём физика процесса?
Для начала стоит вспомнить, что у нас всегда сопровождает движущиеся заряды? Правильно, если в проводе есть электрический ток, то вокруг провода обязательно появляется и магнитное поле. Характеристики этого поля могут быть самыми разными и зависят от параметров электрического тока, породившего это поле. Помните', например, про электромагнитную индукцию?
Когда провода начинают гудеть, мы имеем дело сразу с несколькими физическими процессами. Один из них механический, а другой сугубо "магнитный".
Непосредственное механическое взаимодействие проводников
Под механическим процессом мы понимаем возникновение звука из-за поведения проводника похожего на поведение струны гитары.
Представьте, что провод, который соединяет две мачты и натянут, как минимум, под действием собственного веса, работает как большая струна. В этом случае, он может испускать механические волны, или, правильнее сказать, колебаться сам. Такие колебания будут причиной появления и звуковых волн, которые являются ответом упругой окружающей среды на появление колебания от провода.
Остается найти резонаторы, чтобы этот звук стал более слышим для нас с вами. Таким резонатором могут стать опоры или столбы, шкафы, корпуса прибора и прочие окружающий предметы.
Вот только откуда берется именно гудение. Тут всё также. Было бы здорово, если бы вы представляли себе поведение электрической гитары. Достаточно дотронуться до струны и поводить по ней пальцами и появится звук, очень похожий на гудение.
С учетом того, что проводник сам постоянно взаимодействует механически с разными предметами, вполне может наблюдаться аналогичный эффект. Кроме того, это мы ещё не учитываем, что ток у нас переменный. Это значит, что в какой-то момент "электричества" в проводе нет, а в какой-то момент ещё и меняется его направление.
Магнитное поле тоже на это реагирует и смена "конфигураций" порождает звук. Стоит тут отметить, что если бы характеристики электрического тока были другие, то и гул был бы на другой частоте. А тут мы обычно получаем гул на 50 Гц, что соответствует параметрам сети.
Магнитное взаимодействие проводников
Теперь пару слов про магнитное взаимодействие. Оно возможно в том случае, если рядом есть два проводника с током. Очень хорошо это заметно именно на электрических линиях. Если характеристики магнитного поля в проводниках окажутся разными, то магнитные поля могут взаимодействовать друг с другом порождать колебания окружающей среды.
Когда магнитные поля отталкиваются, они сами гудят, раскачивая частички воздуха вокруг себя и ещё и создают механическое воздействие на провода, которые являются, как мы ранее выяснили, средой для появления механической волны или струной на гитаре.
Как гудит нагреватель?
Зная это мы можем вернуться к нашему электрическому нагревателю и поймем, откуда там появляется гудение. Гудящий нагреватель состоит из специального СТИЧ-элемента.
Это проводник, по которому проходит переменный электрический ток, а сам он нагревается, что следует из закона Джоуля-Ленца. Очень подробно я разбирал закон тут.
Обратите внимание на специфическое расположение иголочек этого проводника. Каждая из них может быть как струной сама, так ещё и прекрасно будет взаимодействовать с окружающими объектами. Все они смогут играть и гудеть как механически, так и электрически.
Магнитные поля в этих иголочках обязательно будут иметь разные характеристики и вероятно будут отталкиваться друг от друга. Да и сами поля будут взаимодействовать друг с другом с характерным электрическим гулом. Помимо этого есть ещё металлический корпус, который является неплохим, направленным в потолок, резонатором, да ещё и взаимодействует с полем.
Достаточно представить досконально, как поля с разными характеристиками проходят через каждое звено такого нагревательного элемента и сразу станет понятно, как появляется типичный электрический гул с потрескиванием.
Немного про энтропию
Сейчас в ютюбе появилась новая функция- можно в виде графика посмотреть количество просмотров определенного момента.
Итак, что же наиболее интересного в советском научно-популярном фильме про энтропию?
Какой момент наиболее интересен для просвещающихся на ниве физики?
Вот такая вот она, Энтропия.
Фундамент квантового интернета: телепортация кубита
Для ЛЛ и гуманитариев: Забейте.
Статьи размещаю для себя, и на случай споров с коллегами +вдруг кому интересно.
Если хотите попонтоваться или прикинуться интеллектуалом - подписывайтесь.
Интернет сейчас и интернет двадцать лет тому назад хоть и обладают общими чертами, но все же различны. То же самое можно сказать и любой другой технологии, которая продолжала совершенствоваться из года в год. Мы уже не пользуемся дискетами для хранения данных и не загружаем сайты по несколько минут через dial-up. Но, как говорится, нет пределу совершенства. Ученым из Делфтского технического университета (Нидерланды) удалось телепортировать кубит, что может стать основой для будущего квантового интернета. Как именно была реализована телепортация, где она была выполнена, и как именно это можно использовать для построения квантовых сетей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Как говорят ученые, квантовая телепортация — это основная процедура для надежной отправки кубитов по сетевым каналам, а также фундаментальный базис протоколов и приложений квантовых сетей. Используя телепорт в виде предварительно разделенного запутанного состояния, квантовая информация передается путем выполнения совместного измерения состояния Белла (BSM от Bell-state measurement) в части запутанного состояния отправителя и состояния кубита, которое необходимо телепортировать. Состояние восстанавливается на принимающем узле с помощью операции шлюза, обусловленной результатом BSM. Поскольку квантовая информация не передается физическим носителем, протокол нечувствителен к потерям в соединительных фотонных каналах и на промежуточных узлах. Детерминированный BSM в сочетании с прямой связью в реальном времени обеспечивает безусловную телепортацию, при которой передача состояния достигается каждый раз, когда состояние кубита вкладывается в телепорт.
Первые шаги на пути квантовой телепортации были сопряжены с использованием фотонных состояний. Вслед за развитием узлов квантовой сети со стационарными кубитами была реализована дистанционная телепортация кубитов между захваченными ионами, захваченными атомами, алмазными азотно-вакансионными (NV от nitrogen-vacancy) центрами и узлами памяти на основе атомных ансамблей.
Ученые отмечают, что хоть будущие квантовые сетевые приложения будут широко использовать телепортацию между неподключенными узлами в сети, жесткий набор требований к предварительному совместному запутыванию, BSM и времени когерентности для обеспечения прямой связи в реальном времени до сих пор тормозил реализацию телепортации за пределы непосредственно связанных стационарных узлов сети.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые смогли обойти эти ограничения с помощью набора ключевых нововведений, в результате чего им удалось достичь телепортации кубитов между несоседними узлами сети (1а). Исследуемая квантовая сеть состояла из трех узлов в линейной конфигурации: Алиса, Боб и Чарли. Каждый из узлов содержал NV центр внутри алмаза.
Изображение №1
На 1b показаны этапы протокола телепортации. Чтобы подготовить телепорт, был использован протокол обмена запутанностью, опосредованный Бобом, аналогичный протоколу квантового повторителя, чтобы установить запутанность между Алисой и Чарли. Как только сообщается об успешной подготовке телепорта, состояние входного кубита подготавливается на Чарли и, наконец, телепортируется к Алисе.
Результаты исследования
Ключевым параметром квантовой телепортации является точность предварительно разделенного запутанного состояния между Алисой и Чарли. Поскольку это состояние генерируется путем замены запутанности, его достоверность можно повысить, уменьшив количество ошибок в отдельных связях. Используемая сеть создает запутанность между соседними узлами с использованием однофотонного протокола в архитектуре с оптической фазовой стабилизацией. Строительным блоком этого протокола является запутанное состояние кубит-фотон, создаваемое в каждом узле.
Чтобы сгенерировать это запутанное состояние, коммуникационный кубит инициализируется в состоянии суперпозиции |ψ⟩ = √α|0⟩ + √(1 − α)|1⟩, после чего применяется селективный по состоянию оптический импульс, который переводит популяцию из |0⟩ в оптически возбужденное состояние. После спонтанного излучения состояние кубита запутывается с числом фотона (0 или 1 фотон).
Этот протокол выполнялся на обоих узлах, а резонансные фотонные состояния интерферировались на светоделителе (2a).
Изображение №2
Обнаружение одиночного фотона в одном из выходных портов идеально предвещает генерацию запутанного состояния |ψ⟩ = (|01⟩ ± |10⟩)/√2, в котором фаза ± устанавливается сработавшим детектором. На 2b показаны совместные результаты измерений кубитов в вычислительной базе после активации запутанности, показывающие ожидаемые корреляции.
Неверность* сгенерированного состояния имеет три основных вклада: двойное заполнение состояния |0⟩, двойное оптическое возбуждение и конечная различимость фотонов.
В случае двойной занятости состояния |0⟩ (что происходит с вероятностью α) оба коммуникационных кубита находятся в состоянии |0⟩ и испускают фотон. Обнаружение одного из этих фотонов приводит к ложному обнаружению запутанного состояния. Второй эффект, двойное возбуждение, связан с конечной длительностью оптического импульса по сравнению с оптическим временем жизни излучателя. Существует конечная вероятность того, что коммуникационный кубит излучает фотон во время этого импульса, впоследствии повторно возбуждается, а затем испускает еще один фотон, в результате чего состояние кубита оказывается запутанным с двумя фотонами. Обнаружение или потеря первого фотона разрушает когерентность запутанного состояния кубит-фотон, а обнаружение второго фотона может затем ложно отмечать генерацию запутанного состояния.
Стоит отметить, что ложные обнаружения, вызванные двойной занятостью состояния |0⟩ и двойным возбуждением, сопровождаются дополнительным испускаемым фотоном. Следовательно, обнаружение этого дополнительного фотона позволяет однозначно идентифицировать такие события и, таким образом, исключать ложные оповещения в реальном времени.
Такая схема исключения была реализована посредством контроля пути обнаружения нерезонансной фононной боковой полосы (PSB от phonon-side band) на обеих установках во время и после оптического возбуждения (2a). Чтобы исследовать эффект этой схемы, ученые генерировали запутанность на отдельных каналах и извлекали события, отмечающие запутанность, для которых PSB мониторинг отмечал присутствие дополнительного фотона. Для этих событий проводился анализ соответствующих измерений кубитов (2c).
Было выделено два отдельных режима: во время оптического импульса (фиолетовый) и после оптического импульса (желтый). Когда на детекторе PSB Алисы (или Боба) во время оптического импульса регистрируется фотон, видно, что выход 01(10) наиболее вероятен (отмечено фиолетовым на 2c). Это показывает, что только одна установка находилась в состоянии |0⟩ и, следовательно, что оба обнаруженных фотона исходят от Алисы (или от Боба). Таким образом, обнаружение фотонов PSB во время оптического импульса в первую очередь указывает на ошибки двойного возбуждения.
Напротив, когда фотон регистрируется после оптического импульса в детекторе PSB Алисы или Боба, результат 00 наиболее вероятен (отмечено желтым 2c). Это указывает на то, что обе установки находились в состоянии |0⟩ и излучали фотон. Таким образом, обнаружение фотона PSB после оптического импульса указывает на ошибку двойной занятости состояния |0⟩. Результаты, показанные на 2c, были обнаружены и для запутанных состояний, генерируемых на линии Бою-Чарли.
Третий основной источник неточности, конечная различимость, может возникать из-за расстройки частот между излучаемыми фотонами. В то время как большая часть этих расстроек устраняется заранее с помощью проверки зарядового резонанса (CR от charge-resonance) перед запуском протокола, коммуникационные кубиты могут по-прежнему подвергаться небольшой спектральной диффузии. В используемом однофотонном протоколе это приводит к расфазировке, которая сильнее для фотонов, которые обнаруживаются позже по сравнению с оптическим импульсом. Сокращая окно обнаружения, можно повысить точность запутанного состояния за счет более низкой скорости запутывания. Посему было решено использовать ширину окна в 15 нс. На 2d обобщены измеренные улучшения на отдельных каналах и предполагаемое влияние на точность запутанного состояния Алисы-Чарли. Увеличение на ≈3% играет важную роль в повышении точности телепортации.
При подготовке телепорта запутанная связь Алиса-Боб надежно хранится в кубите памяти посредством прерывания последовательности и ее повторного формирования, когда запутанное состояние Боб-Чарли не обнаруживается в течение фиксированного количества попыток (тайм-аут).
Кубитами памяти 13C можно с высокой точностью управлять с помощью кубита связи. Ранее проведенные исследования показали, что в магнитном поле 189 мТл попытки генерации запутанности с коммуникационным кубитом не ограничивают время дефазировки памяти T*2, что в перспективе позволяет существенного увеличить время сохранения памяти с активной защитой когерентности.
Изображение №3
Данная защита была реализована путем интеграции разъединяющего π-импульса на кубите памяти в экспериментальную последовательность, которая следует за событием обнаружения, при этом гарантируя, что все фазы, которые подхватываются из-за вероятностного характера удаленного процесса запутывания, компенсируются в реальном времени (3a).
На 3b показаны результаты проверки производительности вышеописанной последовательности при постоянном состоянии суперпозиции в кубите памяти. Было выявлено, что без разъединяющего импульса затухание длины блоховского вектора не изменяется попытками запутывания. Напротив, когда применяется импульс, затухание замедляется почти в 6 раз. Это дает константу затухания N1/e, равную ≈5300 попыткам запутывания, что является самым высоким числом, зарегистрированным на сегодняшний день для алмазных устройств.
Стоит отметить, что высокоточное считывание кубита памяти требуется как при подготовке телепорта (у Боба), так и во время самого протокола телепортации (у Чарли). Кубит памяти считывается путем сопоставления его состояния с коммуникационным кубитом с использованием квантовой логики, за которым следует однократное считывание коммуникационного кубита с использованием оптического возбуждения и обнаружения, зависимых от состояния.
Из-за ограниченной эффективности сбора фотонов (≈10%) и конечной цикличности оптического перехода (≈99%) точность считывания коммуникационного кубита различна для |0⟩ и |1⟩ и вероятность присвоения правильного состояния значительно выше, если был обнаружен один или несколько фотонов (присвоенный результат 0), чем если бы фотоны не были обнаружены (присвоенный результат 1).
Ранее ученым удалось обойти это ограничение, обусловив получение именно результата 0. Однако такой подход плохо масштабируется, поскольку вызывает преждевременное прерывание протокола с вероятностью >50% при каждом считывании кубита памяти. Решением этой проблемы стало повторяющееся считывание кубита памяти (3c), т. е. поочередное сопоставление вычислительных базовых состояний кубита памяти с состоянием коммуникационного кубита |0⟩. На 3d показана верность n-го повторения считывания для двух начальных состояний кубита памяти на Бобе. Каждое повторное считывание снижало верность всего лишь на 1%, что говорит о возможности нескольких считываний без каких-либо значимых потерь.
Затем назначалось состояние за счет первого считывания, а последовательность продолжалась только в том случае, если последующие считывания согласовывались с первым. На 3e показана верность считывания, полученная в результате вышеописанной методики. Использования двух считываний уже было достаточно, чтобы снизить погрешность с 6% до 1%. В результате верность для Боба составила 99.2%, а для Чарли — 98.1%, вероятность продолжения последовательности составила 88%.
Изображение №4
После внедрения в систему всех вышеописанных улучшений ученые приступили к фактической реализации протокола телепортации (4a).
Первым делом создавалась запутанность между Алисой и Бобом, сохраняя часть запутанного состояния Боба в кубите памяти посредством скомпилированной операции SWAP.
Далее генерировалась запутанность между Бобом и Чарли, сохраняя при этом первое запутанное состояние кубита памяти с последовательностью импульсов. Затем выполнялось BSM для Боба с последующей проверкой CR.
Последовательность продолжалась, если считывание коммуникационного кубита давало результат 0, считывание кубита памяти давало согласованный результат, а проверка CR была успешно пройдена.
На Чарли выполнялся квантовый вентиль*, который зависит от результата BSM и от того, какие детекторы активировались во время генерации двухузловой запутанности.
Затем состояние запутанности переносилось на кубит памяти. В этот момент телепорт готов, а Алиса и Чарли находятся в запутанном состоянии с оценочной верностью в 0.61.
Далее на коммуникационном кубите Чарли генерировалось состояние кубита для телепортации (|ψ⟩) и запускался протокол телепортации. BSM выполняется на кубитах связи и памяти в Чарли. За исключением непосредственно самой телепортации, последовательность продолжалась только тогда, когда был получен результат 0 на коммуникационном кубите, когда есть последовательный шаблон считывания на кубите памяти и когда Чарли проходит проверку CR. Считывания BSM отправлялись Алисе, и, применяя соответствующую вентильную операцию, система получала |ψ⟩ на стороне Алисы.
Ученые произвели телепортацию шести кардинальных состояний (±X, ±Y, ±Z), которые образуют несмещенный набор, после чего измерили верность телепортированных состояний (4b). Средняя верность составила 0.702(11) при экспериментальной скорости 1/(117 с).
Различия в верности между телепортированными состояниями возникают из-за взаимодействия ошибок в разных частях протокола, которые либо влияют на все три оси (ошибки деполяризации), либо влияют только на две оси (ошибки дефазировки). На 4c показана верность телепортации для каждого из возможных результатов BSM.
В заключение ученые продемонстрировали, что сеть может обеспечить безусловную телепортацию между Алисой и Чарли, используя BSM детерминированным образом. Для этого протокол на Чарли был пересмотрен, чтобы учитывать оба результата кубита связи (1 и 0), использовать все шаблоны считывания кубита памяти и игнорировать результат проверки CR после BSM. Использование этого полностью детерминированного BSM снижает среднюю точность телепортации на несколько процентов (4d). Однако, как говорилось ранее, уменьшение ширины окна обнаружения может исправить эту проблему. В результате было установлено, что средняя верность телепортации действительно увеличивается с уменьшением окна и достигает 0.688(10) при 7.5 нс и скорости 1/(100 с). Следовательно, квантовая сеть способна выполнять телепортацию за пределами классических ограничений, даже при строгом условии, что каждое состояние, интегрированное в телепорт, должно быть передано.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
В рассмотренном нами сегодня труде ученым удалось успешно телепортировать кубит между двумя несвязанными между собой узлами, названными Алиса и Чарли. Сам процесс телепортации осуществлялся в несколько этапов. Прежде всего необходимо было подготовить сам телепорт, т. е. создать запутанное состояние между Алисой и Чарли, которые не были физически связаны напрямую друг с другом, но оба были связаны с узлом по имени Боб. Чтобы создать запутанное состояние между Алисой и Чарли, необходимо было создать запутанное состояние между Алисой и Бобом. Затем Боб, сохраняя часть этого состояния, создавал запутанное состояние с Чарли. Другими словами, Боб выступал в роли переговорщика или посредника, устанавливающего связь между Алисой и Чарли.
Когда телепорт готов, необходимо по нему что-то отправить, а именно кубит, который генерировался в Чарли. И, наконец, сама телепортация. Для этого Чарли производит одновременное измерение на своем квантовом процессе и на своей запутанной половине (вторая половина у Алисы). В результате этого измерения информация на стороне Чарли «исчезает» и «появляется» на стороне Алисы. Завершает это процесс расшифровка переданной информации на стороне Алисы, так как она была изначально зашифрована (ключ к шифру определяется результатом измерения Чарли).
Несмотря на то, что подобные процессы, как и вся квантовая физика, вызывают головокружение и полное переосмысление бытия, результаты таких исследований могут разительным образом отразиться на нашей жизни. В будущем ученые намерены усовершенствовать свой телепорт, поменяв вышеописанные шаги процедуры местами. Другими словами, сначала получается кубит, а потом идет подготовка телепортации. Это крайне сложно, так как квантовая информация, которая должна быть телепортирована, должна храниться во время создания запутанности. Плюсами такого варианта протокола является возможность телепортировать данные в любой момент и делать это неоднократно.
Пока это лишь первые шаги, которые для широкой общественности практически ничего не значат. Однако в будущем подобного рода исследования могут стать основой для квантового интернета, который однозначно повлияет на множество аспектов жизни нашей цивилизации.