Квантовая азбука: «Телепортация»

Квантовый мир очень далек от нашего, поэтому его законы часто кажутся нам странными и контринтуитивными. Однако важные новости из квантовой физики приходят буквально каждый день, 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 телепортация — 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 статья 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 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