Квантовый телепорт. Квантовая передача информации станет надежнее. Дойдет ли очередь до человека

Квантовая телепортация является одним из наиболее важных протоколов в квантовой информации. Основываясь на физическом ресурсе запутанности, она служит главным элементом различных информационных задач и представляет собой важную составную часть квантовых технологий, играя ключевую роль в дальнейшем развитии квантовых вычислений, сетей и коммуникации.

От научной фантастики до открытия ученых

Прошло уже более двух десятилетий с момента открытия квантовой телепортации, которая, возможно, является одним из самых интересных и захватывающих следствий «странности» квантовой механики. До того как были сделаны эти великие открытия, данная идея принадлежала области научной фантастики. Впервые придуманный в 1931 г. Чарльзом Х. Фортом термин «телепортация» с тех пор используется для обозначения процесса, посредством которого тела и объекты передаются из одного места в другое, на самом деле не преодолевая расстояние между ними.

В 1993 году была опубликована статья с описанием протокола квантовой информации, получившего название «квантовая телепортация», который разделил несколько из перечисленных выше признаков. В нем неизвестное состояние физической системы измеряется и впоследствии воспроизводится или «повторно собирается» в удаленном месте (физические элементы исходной системы остаются в месте передачи). Этот процесс требует классических средств связи и исключает сверхсветовую коммуникацию. Для него необходим ресурс запутанности. На самом деле телепортацию можно рассматривать как протокол квантовой информации, который наиболее четко демонстрирует характер запутанности: без его присутствия такое состояние передачи не было бы возможным в рамках законов, которыми описывается квантовая механика.

Телепортация играет активную роль в развитии науки об информации. С одной стороны, протокол, играющий решающую роль в развитии формальной квантовой теории информации, а с другой он является фундаментальной составляющей многих технологий. Квантовый повторитель - ключевой элемент коммуникации на большие расстояния. Телепортация квантовых переключателей, вычисления на основе измерений и квантовые сети - все являются ее производными. Она используется и в качестве простого инструмента для изучения «экстремальной» физики, касающейся временных кривых и испарения

Сегодня квантовая телепортация подтверждена в лабораториях во всем мире с использованием множества различных субстратов и технологий, в том числе фотонных кубитов, ядерного магнитного резонанса, оптических мод, групп атомов, захваченных атомов и полупроводниковых систем. Выдающиеся результаты были достигнуты в области дальности телепортации, предстоят эксперименты со спутниками. Кроме того, начались попытки масштабирования до более сложных систем.

Телепортация кубитов

Квантовая телепортация была впервые описана для двухуровневых систем, так называемых кубитов. Протокол рассматривает две удаленные стороны, именуемые Алисой и Бобом, которые разделяют 2 кубита, А и В, находящиеся в чистом запутанном состоянии, также называемые парой Белла. На входе Алисе дается еще один кубит а, чье состояние ρ неизвестно. Затем она выполняет совместное квантовое измерение, называемое обнаружением Белла. Оно переносит а и А в одно из четырех состояний Белла. В результате состояние входного кубита Алисы при измерении исчезает, а кубит Боба B одновременно проецируется на Р † k ρP k . На последнем этапе протокола Алиса передает классический результат ее измерения Бобу, который применяет оператор Паули P k для восстановления исходного ρ.

Начальное состояние кубита Алисы считается неизвестным, так как в противном случае протокол сводится к его удаленному измерению. Кроме того, оно само по себе может быть частью более крупной составной системы, разделенной с третьей стороной (в этом случае успешная телепортация требует воспроизведения всех корреляций с этой третьей стороной).

Типичный эксперимент по квантовой телепортации принимает исходное состояние чистым и принадлежащим к ограниченному алфавиту, например, шести полюсам сферы Блоха. В присутствии декогеренции качество реконструированного состояния может быть количественно выражено точностью телепортации F ∈ . Это точность между состояниями Алисы и Боба, усредненные по всем результатами обнаружения Белла и исходному алфавиту. При малых значениях точности существуют методы, позволяющие провести несовершенную телепортацию без использования запутанного ресурса. Например, Алиса может напрямую измерить свое исходное состояние, посылая результаты Бобу для подготовки результирующего состояния. Такую стратегию измерения-подготовки называют «классической телепортацией». Она имеет максимальную точность F class = 2/3 для произвольного входного состояния, что эквивалентно алфавиту взаимно несмещенных состояний, таких как шесть полюсов сферы Блоха.

Таким образом, четким признаком использования квантовых ресурсов является значение точности F> F class .

Не кубитом единым

Как утверждает телепортация не ограничивается кубитами, она может включать многомерные системы. Для каждого конечного измерения d можно сформулировать идеальную схему телепортации, используя базис максимально запутанных векторов состояния, который может быть получен из заданного максимально запутанного состояния и базиса {U k } унитарных операторов, удовлетворяющих tr(U † j U k) = dδ j,k . Такой протокол можно построить для любого конечноразмерного гильбертового пространства т. н. дискретно-переменных систем.

Кроме того, квантовая телепортация может распространяться и на системы с бесконечномерным гильбертовым пространством, называемыми непрерывно-переменными системами. Как правило, они реализуются оптическими бозонными модами, электрическое поле которых можно описать квадратурными операторами.

Скорость и принцип неопределенности

Какова скорость при квантовой телепортации? Информация передается на скорости, аналогичной скорости передачи того же количества классической - возможно, со Теоретически она может быть использована таким образом, каким классическая не может - например, в квантовых вычислениях, где данные доступны только получателю.

Нарушает ли квантовая телепортация В прошлом идея телепортации не очень серьезно воспринималась учеными, потому что считалось, что она нарушает принцип, запрещающий любому измерительному или сканирующему процессу извлекать всю информацию атома или другого объекта. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее объект сканируется, тем больше на него влияет процесс сканирования, пока не будет достигнута точка, когда исходное состояние объекта нарушится до такой степени, что больше нельзя будет получить достаточного количества информации для создания точной копии. Это звучит убедительно: если человек не может извлечь сведения из объекта для создания идеальной копии, то последняя сделана быть не может.

Квантовая телепортация для чайников

Но шесть ученых Жиль Брассар, Клод Крепо, Ричард Джоса, Ашер Перес и Уильям Вутерс) нашли способ обойти эту логику, используя знаменитую и парадоксальную особенность квантовой механики, известную как эффект Эйнштейна-Подольского-Розена. Они нашли способ отсканировать часть информации телепортируемого объекта А, а остальную непроверенную часть посредством упомянутого эффекта передать другому объекту С, в контакте с А никогда не пребывавшему.

В дальнейшем, путем применения к C воздействия, зависящего от отсканированной информации, можно ввести С в состояние А до сканирования. Сам А уже не в том состоянии, так как полностью изменен процессом сканирования, поэтому достигнутое является телепортацией, а не репликацией.

Борьба за дальность

• Первая квантовая телепортация была проведена в 1997 г. почти одновременно учеными из Университета Инсбрука и Университета Рима. Во время эксперимента исходный фотон, обладающий поляризацией, и один из пары запутанных фотонов подверглись изменению таким образом, что второй фотон получил поляризацию исходного. При этом оба фотона находились на расстоянии друг от друга.
• В 2012 г. состоялась очередная квантовая телепортация (Китай, Университет науки и технологии) через высокогорное озеро на расстояние 97 км. Команде ученых из Шанхая во главе с Хуаном Иинем удалось разработать наводящий механизм, который позволил точно нацелить пучок.
• В сентябре того же года была проведена рекордная квантовая телепортация на 143 км. Австрийские ученые из Академии наук Австрии и Университета Вены под руководством Антона Цайлингера успешно передали квантовые состояния между двумя Канарскими островами Ла Палма и Тенерифе. В эксперименте использовались две оптические линии связи на открытом пространстве, квантумная и классическая, частотно некоррелированная поляризационно запутанная пара фотонов-источников, сверхнизкошумные однофотонные детекторы и сцепленная тактовая синхронизация.
• В 2015 г. исследователи из американского Национального института стандартов и технологии впервые произвели передачу информации на расстояние более 100 км по оптоволокну. Это стало возможным благодаря созданным в институте однофотонным детекторам, использующим сверхпроводящие нанопровода из силицида молибдена.

Понятно, что идеальной квантовой системы или технологии пока не существует и великие открытия будущего еще впереди. Тем не менее можно попытаться определить возможных кандидатов в конкретных областях применения телепортации. Подходящая их гибридизация при условии совместимой базы и методов может обеспечить наиболее перспективное будущее для квантовой телепортации и ее применений.

Короткие дистанции

Телепортация на короткие расстояния (до 1 м) как подсистема квантовых вычислений перспективна на полупроводниковых устройствах, лучшим из которых является схема QED. В частности, сверхпроводящие трансмоновые кубиты могут гарантировать детерминированную и высокоточную телепортацию на чипе. Они также позволяют прямую подачу в режиме реального времени, которая выглядит проблематичной на фотонных чипах. К тому же они обеспечивают более масштабируемую архитектуру и лучшую интеграцию существующих технологий по сравнению с предыдущими подходами, такими как захваченные ионы. В настоящее время единственным недостатком этих систем, по-видимому, является их ограниченное время когерентности (<100 мкс). Эта проблема может быть решена с помощью интегрирования схемы QED с полупроводниковыми спин-ансамблевыми ячейками памяти (с азотно-замещенными вакансиями или легированными редкоземельными элементами кристаллами), которые могут обеспечить длительное время когерентности для квантового хранения данных. В настоящее время данная реализация является предметом приложения больших усилий научного сообщества.

Городская связь

Телепортационная связь в масштабе города (несколько километров) могла бы разрабатываться с использованием оптических мод. При достаточно низких потерях эти системы обеспечивают высокие скорости и ширину полосы. Они могут быть расширены от настольных реализаций до систем средней дальности, действующих через эфир или оптоволокно, с возможной интеграцией с ансамблевой квантовой памятью. Более дальние расстояния, но с более низкими скоростями могут быть достигнуты с помощью гибридного подхода или путем разработки хороших ретрансляторов, основанных на негауссовских процессах.

Дальняя связь

Междугородняя квантовая телепортация (более 100 км) является активной областью, но по-прежнему страдает от открытой проблемы. Кубиты поляризации - лучшие носители для низкоскоростной телепортации по длинным оптоволоконным линиям связи и через эфир, но в настоящее время протокол является вероятностным из-за неполного обнаружения Белла.

Хотя вероятностная телепортация и запутанности приемлемы для таких задач, как дистилляция запутывания и квантовая криптография, но это явно отличается от коммуникации, в которой входная информация должны быть полностью сохранена.

Если принять этот вероятностный характер, то спутниковые реализации находятся в пределах досягаемости современных технологий. Кроме интеграции методов отслеживания, основной проблемой становятся высокие потери, вызванные расплыванием пучка. Это может быть преодолено в конфигурации, где запутанность распределена от спутника до наземных телескопов с большой апертурой. Предполагая апертуру спутника в 20 см при 600-км высоте и 1-м диафрагму телескопа на земле, можно ожидать около 75 дБ потерь в канале нисходящей линии связи, что меньше, чем 80 дБ потерь на уровне земли. Реализации «земля-спутник» или «спутник-спутник» являются более сложными.

Квантовая память

Будущее использование телепортации в качестве составной части масштабируемой сети прямо зависит от ее интеграции с квантовой памятью. Последняя должна обладать превосходным, с точки зрения эффективности конверсии, интерфейсом «излучение-материя», точностью записи и считывания, временем хранения и пропускной способностью, высокой скоростью и емкостью запоминающего устройства. В первую очередь это позволит использовать ретрансляторы для расширения коммуникации далеко за рамки прямой передачи с использованием кодов коррекции ошибок. Развитие хорошей квантовой памяти позволило бы не только распределить запутывание по сети и телепортационную коммуникацию, но и связно обрабатывать хранимую информацию. В конечном итоге, это может превратить сеть во всемирно распределенный или основу для будущего квантового интернета.

Перспективные разработки

Атомные ансамбли традиционно считались привлекательными из-за их эффективного преобразования «свет-материя» и их миллисекундных сроков хранения, которые могут достигать 100 мс, необходимых для передачи света в глобальном масштабе. Тем не менее более перспективные разработки сегодня ожидаются на основе полупроводниковых систем, где отличная спин-ансамблевая квантовая память прямо интегрируется с масштабируемой архитектурой схемы QED. Эта память не только может продлить время когерентности цепи QED, но и обеспечить оптико-микроволновой интерфейс для взаимопревращения оптико-телекоммуникационных и чиповых микроволновых фотонов.

Таким образом, будущие открытия ученых в области квантового интернета, вероятно, будут основаны на дальней оптической связи, сопряженной с полупроводниковыми узлами для обработки квантовой информации.

Возможность телепортации является одной из наиболее горячо обсуждаемых паранормальных и паранаучных проблем. Тем более, что она опирается сразу и на фантастические мистические представления, и на определённые научные достижения. Однако различные сообщения о том, что телепортация вот-вот будет достигнута на практике, являются лишь недобросовестным использованием информации о квантовой телепортации. Квантовая телепортация – это реальное физическое явление, вот только к телепортации из теорий мистиков и произведений фантастов она имеет лишь косвенное отношение.

Без Эйнштейна не обошлось

Практика телепортации предполагает передачу материи из одной точки пространства в другую без наличия непрерывной траектории движения. То есть невозможно проследить непрерывающуюся последовательность нахождения вещества в определённой точке в каждый последующий момент времени. Тем самым материя на время как бы исчезает, чтобы затем появиться уже в совсем другом месте. Ничего подобного в случае с квантовой телепортацией, конечно, не происходит. Она связана с особенными свойствами квантов и была впервые сформулирована на теоретическом уровне в 1930-е годы знаменитым Альбертом Эйнштейном.

Он предположил, что между двумя частицами может существовать канал связи из так называемых спутанных квантов, по которому возможна передача свойств от одной элементарной частицы к другой. Физически элементарные частицы при этом между собой не соприкасаются, то есть не контактируют. Свойство одной частицы отправляется через квант, при этом в точке отправления это свойство разрушается и исчезает, частица-отправитель этого свойства лишается. В свою очередь, на другой частице это свойство появляется, будучи «переправленным» через спутанные кванты. Ни энергия, ни сама материя при этом между частицами не «перепрыгивают», а скорость передачи свойств не превышает скорость света в вакууме. Таким образом, никакие физические законы не нарушаются и о реальной телепортации говорить нельзя. Характерно, что Эйнштейн не верил в практическую осуществимость даже этой своей теоретической модели, считая квантовую телепортацию следствием противоречивости самой квантовой теории.

Реализация на практике

Квантовая телепортация, известная также как ЭПР-эффект (названный так по фамилиям соавторов теоретической работы по данной теме – Эйнштейна, Подольского, Розена), считалась сугубо умозрительной на протяжении почти полувека. Но в 1980 году существования данного эффекта было подтверждено экспериментально. Была осуществлена так называемая телепортация фотонов, то есть передача свойств с одного фотона на другой. Первоначально учёные не могли найти объяснения такому явлению, которое противоречило законам физики. Однако затем вспомнили о сформулированном Эйнштейном и его коллегами принципе квантовой телепортации – и всё встало на свои места.

Причём особенность квантовой телепортации заключалась в возможности передачи свойств между элементарными частицами на значительные расстояния. Но одновременно выявились и различные сложности. Так, очень быстро выяснилось, что квантовая телепортация имеет характерные для любого канала связи ограничения – скорость передачи информации не может превышать максимальной скорости, доступной для данного конкретного канала. В лучшем случае она будет приближаться к скорости света в вакууме. К тому же квантовая телепортация не имела ничего общего с «классической» телепортацией, знакомой по фантастическим романам. Подобная передача энергии и материи из одной точки в другую по-прежнему не представляется возможной. Так что энтузиастам, жаждущим осуществления телепортации человека, придётся подождать. Очень может быть, что подождать бесконечно долго: даже при обнаружении способа телепортации материи сложно представить возможность телепортирования разумных существ и воссоздания на новом месте полноценного механизма сознания.

Эксперименты двигают науку

Квантовая телепортация получила широкое освещение в прессе в связи с последними достижениями в этом направлении японских учёных. В ходе различных экспериментов ими были достигнуты впечатляющие результаты. В первом случае опыт оказался весьма эффектным: исследователи смогли «телепортировать» квант света. По сути, это телепортация фотона – свет «разложили» по отдельным частицам-фотонам и с помощью канала связи спутанных квантов перенесли их в другую точку пространства, где снова собрали в световой пучок. Во втором случае была достигнута первая квантовая телепортация не между двумя, а между тремя фотонами. С точки зрения практических научных технологий это настоящий прорыв, открывающий реальные перспективы создания квантовых компьютеров. Эти компьютеры будут на порядки производительнее в скорости обработки данных, а также в их суммарном объёме.

Но японские эксперименты с квантовой телепортацией отнюдь не единственные, работа в этом направлении ведётся уже несколько десятилетий, но особенно активно в последние годы. Так, в 2004 году были осуществлены успешные опыты квантовой телепортации уже не между фотонами, а между атомами – в первом случае свойствами обменивались ионы атома кальция, во втором – ионы атома бериллия. В 2006 году квантовая телепортация была проведена между двумя разноприродными объектами, между атомами цезия, с одной стороны, и квантами лазерного излучения, с другой. С 2010 по 2012 годы учёные последовательно ставили впечатляющие рекорды расстояния квантовой телепортации: сначала в Китае свойства между фотонами были переданы на 16 километров, затем в Поднебесной достижение было увеличено до 97 километров, а после в Австрии исследователи добились телепортации на 143 километра.

Александр Бабицкий

Российский и чешско-словацкий физики предложили метод сохранения квантовой запутанности фотонов при прохождении усилителя или передаче на большое расстояние.

Квантовая запутанность или сцепленность частиц – явление связи их квантовых характеристик. Она может возникать при рождении частиц в одном событии или их взаимодействии. Эта связь может сохраняться, даже если частицы расходятся на большое расстояние, что позволяет передавать с их помощью информацию. Дело в том, что если измерить квантовые характеристики одной из связанных частиц, то автоматически становятся известны и характеристики второй. Эффект не имеет аналогов в классической физике. Он был экспериментально доказан в 1970 – 80-х годах, и его активно изучают в последние несколько десятилетий. В перспективе он может стать основой целого ряда информационных технологий будущего.

Забавную житейскую аналогию этого явления придумал один из его исследователей, физик-теоретик Джон Белл. Его коллега Рейнгольд Бертлман страдал рассеянностью и часто приходил на работу в носках разного цвета. Предсказать эти цвета было невозможно, но Белл шутил, что достаточно увидеть розовый носок на левой ноге Бертлмана, чтобы сделать вывод, что на правой ноге у него носок другого цвета, даже не видя его.

Одна из проблем практического использования явления квантовой запутанности заключается в нарушении связи при взаимодействии частиц с окружающим миром. Такое может произойти при усилении сигнала или при его передаче на большое расстояние. Эти два фактора могут действовать и вместе, поскольку для передачи сигнала на большое расстояние его надо усиливать. Поэтому фотоны после прохождения через многие километры оптоволокна в большинстве случаев перестают быть квантово запутанными и превращаются в обычные, не связанные между собой кванты света. Чтобы избежать разрушения связи в экспериментах по квантовым вычислениям, приходится использовать охлаждение до близких к абсолютному нулю температур.

Физики Сергей Филиппов (МФТИ и Российский квантовый центр в Сколково) и Марио Зиман (Масариков университет в Брно, Чехия, и Физический институт в Братиславе, Словакия) нашли способ сохранить квантовую запутанность фотонов при прохождении через усилитель или, напротив, при передаче на большое расстояние. Подробности опубликованы в статье (см. также препринт) для журнала Physical Review A.

Суть их предложения заключается в том, что для передачи сигналов определенного вида необходимо, чтобы «волновая функция частиц в координатном представлении не должна иметь вид гауссова волнового пакета». В этом случае вероятность разрушения квантовой запутанности становится намного ниже.

Волновая функция – одно из базовых понятий квантовой механики. Она используется для описания состояния квантовой системы. В частности, явление квантовой запутанности описывается на основе представлений об общем состоянии связанных частиц с определенной волновой функцией. В соответствии с копенгагенской интерпретацией квантовой механики физический смысл волновой функции квантового объекта в координатном представлении заключается в том, что квадрат ее модуля определяет вероятность обнаружить объект в данной точке. С ее помощью можно также получить информацию об импульсе, энергии или еще какой-либо физической величине объекта.

Гауссова функция - одна из важнейших математических функций, нашедшая применение не только в физике, но и во многих других науках вплоть до социологии и экономики, имеющих дело с вероятностными событиями и использующих статистические методы. Очень многие процессы в природе приводят к этой функции при математической обработке результатов наблюдений. Ее график выглядит как колоколообразная кривая.

Обычные фотоны, которые используются сейчас в большинстве экспериментов по квантовому запутыванию, тоже описываются гауссовой функцией: вероятность найти фотон в той или иной точке в зависимости от координат точки имеет колоколообразный гауссов вид. Как показали авторы работы, в этом случае переслать запутанность далеко не получится, даже если сигнал очень мощный.

Использование фотонов, волновая функция которых имеет иную, негауссову, форму, должна существенно повысить число доходящих до адресата запутанных фотонных пар. Однако это не означает, что сигнал можно будет передать через сколь угодно непрозрачную среду или на сколь угодно большое расстояние, – если соотношение сигнал/шум падает ниже некоторого критического порога, то эффект квантовой запутанности исчезает в любом случае.

Физики уже научились создавать запутанные фотоны, разнесенные на несколько сотен километров, и нашли им несколько очень перспективных применений. Например, для создания квантового компьютера. Это направление представляется многообещающим благодаря высокому быстродействию и низкому энергопотреблению фотонных устройств.

Другое направление – квантовая криптография, позволяющая создать линии связи, в которых всегда можно обнаружить «прослушивание». Она основана на том, что любое наблюдение за объектом есть воздействие на него. А воздействие на квантовый объект всегда меняет его состояние. Это означает, что попытка перехватить сообщение должна привести к разрушению спутанности, о чем сразу станет известно получателю.

Кроме того, квантовая запутанность позволяет реализовать так называемую квантовую телепортацию. Ее не надо путать с телепортацией (переносом в пространстве) предметов и людей из фантастических фильмов. В случае квантовой телепортации на расстояние передается не сам объект, а информация о его квантовом состоянии. Все дело в том, что все квантовые объекты (фотоны, элементарные частицы), а вместе с ними и атомы одного вида являются абсолютно одинаковыми. Поэтому, если атом в точке приема приобретает квантовое состояние, идентичное атому в точке передачи, то это эквивалентно созданию копии атома в точке приема. Если бы существовала возможность переноса квантового состояния всех атомов предмета, то в месте приема возникла бы его идеальная копия. С целью передачи информации можно телепортировать кубиты – наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере.

По материалам сайта МФТИ

На расстояние около 1200 километров — между землёй и космосом! Исследователи также планируют провести подобные опыты по квантовой телепортации между Землёй и Луной.

Телепортация… Слово из научно-фантастических книг, из историй о космических приключениях, где герои за секунды преодолевают гигантские расстояния с помощью телепорта. Квантовая телепортация не имеет ничего общего с реальным перемещением объектов. В таком случае, что это такое и почему так называется? О квантовой телепортации АиФ.ru рассказал руководитель лаборатории физики Политехнического музея Юрий Михайловский :

— Нужно понимать, что при квантовой телепортации не происходит перемещения объекта из одного места в пространстве в другое — как при телепортации в обычном понимании этого слова. При помощи квантовой телепортации телепортируется, то есть мгновенно перемещается, не сам объект, а состояние этого объекта! Грубо говоря, у нас есть некий предмет, имеющий определённое состояние, и мы с помощью квантовой телепортации можем перенести это состояние в другое место, чтобы там появился объект с такими же свойствами. (В Китае состояние частиц между двумя пунктами на Земле будут передавать с помощью космического спутника, который ради этого эксперимента собираются вывести на орбиту — прим. ред.) Но про объект — условно. Поясню: сейчас мы не умеем передавать состояние сложных объектов. Речь идёт о том, чтобы передать состояние отдельных атомов или фотонов, ничего больше.

Для того чтобы осуществить квантовую телепортацию, нужно создать квантовую запутанную пару. Для простоты будем говорить про одно состояние, состояние спина частицы. Он может находиться в двух состояниях: спин вверх и спин вниз. Эти состояния мы и будем пытаться передать. Итак, мы пытаемся создать так называемую квантовую запутанную пару (обычно это пара световых фотонов). Она устроена таким образом, что у них суммарный спин равен нулю. То есть у одного фотона спин вверх, у другого — вниз, когда мы создаём эту пару, их сумма — ноль. При этом не только мы не знаем, куда фотоны смотрят, но и сами фотоны не знают, в какую сторону направлены их спины. Они находятся в так называемом смешанном состоянии, неопределённом. Может быть, спин вверх, может, вниз, никто не знает, пока не будет проведён акт измерения.

Но у нас есть гарантия, что если мы измерим один спин, и он смотрит вверх, то спин другого фотона смотрит вниз. Теперь возьмём два запутанных фотона и разнесём их на большое расстояние, километр, например. И тут мы берём один из фотонов и измеряем его состояние. Определяем, что у него спин вверх, и в этот момент на расстоянии одного километра спин другого смешанного фотона превращается в состояние со спином вниз. Актом измерения одного фотона мы изменили состояние другого фотона.

Обычно эти два запутанных фотона называют Ансилой и Бобом.

Этот эффект квантовой запутанности используется для телепортации. У нас есть спин, который мы хотели бы телепортировать, его обычно называют Алисой. Так вот, производят измерение суммарного спина Алисы и Ансилы, и в этот момент Боб получает состояние Алисы, или сопряжённое к нему (противоположное). О том, какое именно, мы узнаём из результата измерения. После этого нам необходимо эту информацию передать уже по обычному каналу связи. Надо ли переворачивать Боба или нет.

Если мы, например, передаём состояния 10 спинов, то для завершения телепортации необходимо передать сообщение вида: «Поменять на противоположные состояния 1, 3, 5, 6 и 8».

Как-то так и осуществляется квантовая телепортация.

Квантовый мир очень далек от нашего, поэтому его законы часто кажутся нам странными и контринтуитивными. Однако важные новости из квантовой физики приходят , так что иметь о них правильное представление сейчас необходимо - иначе работа физиков в наших глазах превращается из науки в магию и обрастает мифами. Яркий пример - квантовая телепортация , вокруг которой накопилось столько недопонимания, что даже научные журналисты обычно не могут описать такие эксперименты корректно. С объяснения того, что такое квантовая телепортация на самом деле, а чем она не является, мы начинаем серию материалов, подготовленных в сотрудничестве с Российским квантовым центром. Сегодня на наши вопросы отвечает Александр Львовский , сотрудник РКЦ и профессор Университета Калгари.

Что такое квантовая телепортация, кто ее придумал, как выглядит самый первый и простой подобный эксперимент?

Квантовая телепортаци - это когда квантовое состояние некоторого физического объекта (например, фотона) передается на идентичный объект, находящийся в другом месте, без использования прямого переноса квантовой частицы.

Идея квантовой телепортации была предложена в 1993 году группой теоретиков, включающей в себя Чарльза Беннетта и Жила Брассарда - тех самых, которые в 1984 году предложили квантовую криптографию. Что касается экспериментальных приоритетов, то он оспаривается между двумя группами. Первый эксперимент по телепортации фотонов был сделан группой профессора Франческо Де Мартини в Риме. Однако статья, посланная им в журнал, была «завернута» рецензентами под техническими предлогами. Поэтому первой вышла другой группы - профессора Антона Цайлингера в Иннсбруке (Австрия).

По традиции, партнеров, находящихся на двух концах квантовой линии связи, называют Алиса и Боб. Так вот, для того, чтобы телепортировать фотон от Алисы к Бобу, им нужно дополнительно приготовить и обменяться парой фотонов в запутанном состоянии. Таким образом, вначале у Алисы два фотона: тот, который она хочет телепортировать и один из двух запутанных, а у Боба - второй из этих двух. В ходе телепортации Алиса измеряет квантовое состояние обоих из своих фотонов и передает полученный результат Бобу.

Что значит «измеряет квантовое состояние»? Как это делается в эксперименте?

Если речь идет о состояниях оптической поляризации (то есть в какой плоскости колеблется поле электромагнитной волны), то используются так называемые поляризационные светоделители. Это такой стеклянный кубик, который пропускает горизонтально поляризованные фотоны и отражает на угол 90 градусов - вертикально поляризованные. Если фотон поляризован как-то по-другому, то есть находится в суперпозиции вертикального и горизонтального состояний, то он случайным образом пройдет насквозь либо отразится, с определенной вероятностью. За кубиком, в каналах пропускания и отражения, ставят детекторы одиночных фотонов, которые генерируют электрические импульсы при попадании на них квантов света.

Откуда берутся запутанные пары фотонов и что именно у них запутано?

Запутанные пары фотонов образуются в специальных кристаллах. Замечательное свойство таких кристаллов заключается в том, что они могут «делить» фотоны. Если пропустить через них мощный лазерный луч, то некоторые фотоны в этом луче распадутся на пары фотонов меньшей энергии. Эти пары могут быть запутаны по различным параметрам, не только по поляризации - по частотам, временам генерации, направлениям эмиссии.

Что такое вообще запутанные частицы? Например, мы взяли пару фотонов, разнесли их на расстояние и измерили состояние одного из них. Со вторым что-то в этот момент произошло? Или мы просто что-то узнали о нем, как в эксперименте с двумя шариками, которые можно бросить в мешок, вытащить один и точно узнать какой остался?

Запутанное состояние - это состояние суперпозиции, в котором одновременно находятся два отдельных квантовых объекта. Например, суперпозиция состояний двух фотонов, в первом из которых фотон Алисы имеет горизонтальную поляризацию, а фотон Боба вертикальную, а во втором - наоборот, является запутанной.

Квантовые свойства запутанных объектов являются коррелированными. Это означает не просто, что если один из партнеров обнаружит фотон в горизонтальной поляризации, поляризация второго окажется вертикальной (подобная корреляция встречается и у классических объектов, таких, как упомянутые Вами шарики в мешке). В случае квантовой корреляции, какой бы угол поляризации ни обнаружила Алиса, Боб непременно обнаружит поляризацию, ортогональную Алисе. По сравнению с шариками разница в том, что они имеют определенный цвет сами по себе - еще до того, как мы их увидели. С квантовым объектом дело обстоит иначе - нельзя сказать, что они имеют какую-то поляризацию до того, как мы ее измерили. До измерения они находятся в суперпозиции разных поляризаций.

Допустим, например, что Алиса поставила на пути своего фотона поляризационный светоделитель, наклоненный под углом 30 градусов, и обнаружила, что детектор, расположенный непосредственно за ним, «щелкнул». Это означает, что фотон прошел через светоделитель - Алиса детектировала фотон с поляризацией 30 градусов. Тогда, если Боб проделает аналогичное измерение, его светоделитель фотон с определенностью отразит, показывая, что поляризация фотона Боба 120 градусов. Получается, что Алиса, меняя угол своего светоделителя, может дистанционно приготавливать фотон Боба в определенном состоянии - как бы далеко Боб ни находился, мгновенно и без всякого взаимодействия ! Это явление называется квантовой нелокальностью. К сожалению, используя нелокальность невозможно передавать информацию на расстояние (иначе такая коммуникация была бы мгновенной, что противоречит специально теории относительности да и вообще здравому смыслу). Однако это можно использовать для телепортации и она СТО не противоречит.

Разобрались с запутанными парами, теперь - как нам провести квантовую телепортацию?

В телепортации используется более сложная разновидность нелокальности. Алиса делает совместное измерение над парой фотонов, которые у нее «в руках» - первоначальным фотоном (который она хочет телепортировать) и тем, что входит в запутанную пару.

Тогда фотон Боба преобразуется в состояние с поляризацией, идентичной первоначальной поляризации фотона Алисы, или такой, которая может быть приведена к этой поляризации простой операцией. Фотон Алисы при этом разрушается, благодаря чему соблюдается запрет на квантовое клонирование.

Это же обман, телепортируется только состояние частицы, а не сама частица. Почему же тогда это называется телепортацией?

Во-первых, квантовая телепортация - это физический термин, имеющий строго определенное значение, а «обычная» телепортация - термин из фантастической литературы. Так что это, вообще говоря, разные понятия. Однако следует помнить, что все на свете, - включая тело человека - по большому счету сводимо к неразличимым частицам. Мы состоим из кислорода, водорода и углерода, с небольшой добавкой других химических элементов. Если мы соберем нужное количество атомов нужных элементов, а затем с помощью телепортации приведем их в состояние, идентичное их состоянию в теле телепортируемого человека - получится тот самый человек. Он будет физически неотличим от оригинала за исключением своего положения в пространстве (ведь идентичные квантовые частицы неразличимы). Я, конечно, предельно утрирую - от телепортации человека нас отделяет целая вечность. Однако суть вопроса именно в этом: идентичные квантовые частицы встречаются везде, а вот привести их в нужное квантовое состояние совсем непросто.

Хорошо, а зачем вообще что-то телепортировать?

Телепортация макроскопических объектов - например, людей - не входит в число насущных задач квантовой технологии. Однако телепортация квантовых состояний микроскопических частиц - фотонов, атомов - оказывается полезной для квантовых информационных технологий. Например, она является важной составляющей определенных моделей квантовых компьютеров и повторителей (репитеров).

И как с помощью телепортации можно сделать связь?

Квантовая связь основана на кодировании битов в состояниях отдельных фотонов. В современных системах квантовой связи эти фотоны передаются от Алисе к Бобу напрямую по оптоволоконному каналу. Проблема в том, что в таких каналах есть существенные потери: половина всех фотонов теряется каждые 10-15 км. Это ограничивает практическую дальность передачи где-то сотней километров. Эту трудность, однако, можно обойти, если не передавать фотоны напрямую, а телепортировать их. Тогда фотону Алисы придется преодолеть лишь небольшое расстояние.

И как, это удается на практике? Какая скорость, дальность телепортации, что с репитерами?

Не вдаваясь в технические подробности, скажу, что для осуществления такой схемы необходимо уметь не только телепортировать квантовые состояния фотонов, но и сохранять их неизменными в течение относительно длительного времени (хотя бы нескольких миллисекунд). Для этого необходимо разработать квантовую ячейку памяти для фотонов, а такого прибора с необходимыми параметрами пока у нас нет. Поэтому квантовый повторитель пока не реализован. Однако надеюсь, что мы преодолеем трудности в течении ближайших нескольких лет.

Какие главные проблемы стоят перед квантовой телепортацией, что нам сулит их решение?

Для реализации «квантового интернета» и других квантовых информационных технологий нам нужно научиться переносить квантовые состояния между объектами различной физической природы - фотонами, атомами, квантовыми точками, сверхпроводящими цепями и так далее.

Подготовил Александр Ершов