Квантова телепортація людини. Квантова абетка: «Телепортація

Таку машину-телепорт збудували у фільмі «Контакт». З її допомогою героїня Джоді Фостер здійснила подорож до іншого світу, а може — і ні.

У фантастичних світах, вигаданих письменниками та сценаристами, телепортація давно стала стандартною транспортною послугою. Здається, складно знайти настільки ж швидкий, зручний і водночас інтуїтивно зрозумілий спосіб переміщення у просторі.

Гарну ідею телепортації підтримують і вчені: ще засновник кібернетики Норберт Вінер у своїй роботі «Кібернетика та суспільство» присвятив «можливості подорожувати телеграфом» цілий розділ. З того часу минуло півстоліття, і за цей час ми майже впритул наблизилися до мрії людства про такі подорожі: у кількох лабораторіях світу здійснено успішну квантову телепортацію.

Основи

Чому телепортація саме квантова? Справа в тому, що квантові об'єкти (елементарні частинки або атоми) мають специфічні властивості, які обумовлені законами квантового світу і в макросвіті не спостерігаються. Саме такі властивості частинок і стали основою експериментів з телепортації.

ЕПР-парадокс

У період активного розвитку квантової теорії, у 1935 році, у знаменитій роботі Альберта Ейнштейна, Бориса Подільського та Натана Розена «Чи може квантово-механічний опис реальності бути повним?» було сформульовано так званий ЕПР-парадокс (парадокс Ейнштейна-Подільського-Розена).

Автори показали, що з квантової теорії випливає: якщо є дві частинки A і B із загальним минулим (що розлетілися після зіткнення або утворилися при розпаді деякої частинки), то стан частинки B залежить від стану частинки A і ця залежність повинна миттєво виявлятися і на будь-якій відстані . Такі частки називають ЕПР-парою і кажуть, що вони перебувають у «заплутаному» стані.

Насамперед нагадаємо, що у квантовому світі частка — це об'єкт імовірнісний, тобто вона може перебувати в кількох станах одночасно — наприклад, може бути не просто «чорною» чи «білою», а «сірою». Однак при вимірі такої частки ми завжди побачимо лише один із можливих станів — «чорний» або «білий», причому з певною передбачуваною ймовірністю, а всі інші стани при цьому руйнуються. Більше того, із двох квантових частинок можна створити такий «заплутаний» стан, що все буде ще цікавішим: якщо одна з них виявиться при вимірі «чорної», то інша — неодмінно «білої», і навпаки!

Щоб розібратися, в чому полягає парадокс, спочатку проведемо досвід з макроскопічними об'єктами. Візьмемо два ящики, у кожному з яких лежать по дві кулі — чорна та біла. І відвеземо одну з цих ящиків на Північний полюс, а іншу на Південний.

Якщо ми виймемо на Південному полюсі одну з куль (наприклад, чорну), то це ніяк не вплине на результат вибору на Північному полюсі. Зовсім не обов'язково, що там нам у цьому випадку трапиться саме біла куля. Цей простий приклад підтверджує, що спостерігати ЕПР-парадокс у світі неможливо.

Але в 1980 році Алан Аспект експериментально показав, що в квантовому світі ЕПР-парадокс справді має місце. Спеціальні виміри стану ЕПР-частинок A і B показали, що ЕПР-пара не просто пов'язана загальним минулим, але частка B якимось чином миттєво «дізнається» про те, як була виміряна частка A (яку її характеристику вимірювали) і який результат вийшов . Якби йшлося про згадані вище ящики з чотирма кулями, то це означало б, що вийнявши на Південному полюсі чорну кулю, на Північному полюсі ми неодмінно маємо вийняти білу! Але ж взаємодії між A та B немає і надсвітлова передача сигналу неможлива! У наступних експериментах існування ЕПР-парадоксу підтверджувалося, навіть якщо частинки ЕПР-пари були віддалені одна від одної на відстань близько 10 км.

Ці абсолютно неймовірні з погляду нашої інтуїції досліди легко пояснюються квантовою теорією. Адже ЕПР-пара якраз є дві частинки в «заплутаному» стані, а значить, результат вимірювання, наприклад, частинки A визначає результат вимірювання частинки B.

Цікаво, що Ейнштейн вважав їм передбачувану поведінку частинок в ЕПР-парах «дією демонів на відстані» і був упевнений, що ЕПР-парадокс вкотре демонструє неспроможність квантової механіки, яку вчений відмовлявся приймати. Він вважав, що пояснення парадоксу непереконливе, адже «якщо згідно з квантовою теорією спостерігач створює або може частково створювати спостережуване, то миша може переробити Всесвіт, просто подивившись на нього».

Експерименти з телепортації

У 1993 році Чарльз Беннет та його колеги вигадали, як можна використовувати чудові властивості ЕПР-пар: вони винайшли спосіб перенесення квантового стану об'єкта на інший квантовий об'єкт за допомогою ЕПР-пари та назвали цей спосіб квантовою телепортацією. А 1997 року група експериментаторів під керівництвом Антона Цайлінгера вперше здійснила квантову телепортацію стану фотона. Схему телепортації докладно описано на врізанні.

Обмеження та розчарування

Важливо, що квантова телепортація — це перенесення не об'єкта, лише невідомого квантового стану одного об'єкта в інший квантовий об'єкт. Мало того, що квантовий стан об'єкта, що телепортується, так і залишається для нас таємницею, він до того ж незворотно руйнується. Але в чому ми можемо бути цілком впевнені, то це в тому, що отримали ідентичний стан іншого об'єкта в іншому місці.

На тих, хто розраховував, що телепортація буде миттєвою, чекає на розчарування. У способі Беннета для успішної телепортації необхідний класичний канал зв'язку, отже, і швидкість телепортації неспроможна перевищувати швидкість передачі по звичайному каналу.

І поки що зовсім невідомо, чи вдасться перейти від телепортації станів частинок і атомів до телепортації макроскопічних об'єктів.

Застосування

Практичне застосування для квантової телепортації знайшлося швидко — квантові комп'ютери, де інформація зберігається у вигляді набору квантових станів. Тут квантова телепортація виявилася ідеальним методом передачі, який важливо виключає можливість перехоплення і копіювання переданої інформації.

Чи дійде черга до людини?

Незважаючи на всі сучасні досягнення в галузі квантової телепортації, перспективи телепортації людини залишаються дуже туманними. Звичайно, хочеться вірити, що вчені щось вигадають. Ще в 1966 році в книзі «Сума технології» Станіслав Лем писав: «Якщо нам вдасться синтезувати з атомів Наполеона (за умови, що в нашому розпорядженні є його «атомний опис»), то Наполеон буде живою людиною. Якщо зняти подібний опис з будь-якої людини і передати її «по телеграфу» на приймальний пристрій, апаратура якого на основі прийнятої інформації відтворить тіло та мозок цієї людини, то вона вийде з приймального пристрою живим та здоровим».

Однак практика в цьому випадку набагато складніша за теорію. Тож нам із вами навряд чи доведеться помандрувати світами за допомогою телепортації, а тим більше — з гарантованою безпекою, адже достатньо однієї помилки і можна перетворитися на безглуздий набір атомів. Ось досвідчений галактичний інспектор з роману Кліффорда Саймака знається на цьому і не дарма вважає, що «ті, хто береться за передачу матерії на відстань, повинні б перш за все навчитися робити це як належить».

У червні 2013 року групі фізиків під керівництвом Юджина Ползіка вдалося провести експеримент із детерміністської телепортації колективного спину 10 12 атомів цезію на півметра. Ця робота потрапила на обкладинку Nature Physics. Чому це справді важливий результат, у чому полягали експериментальні складності і, нарешті, що таке «детерміністська квантова телепортація» «Ленте.ру» розповів професор і член виконавчого комітету Російського квантового центру (РКЦ) Юджин Ползік.

"Лента.ру": Що таке "квантова телепортація"?

Щоб зрозуміти, чим квантова телепортація відрізняється від того, що ми бачимо, наприклад у серіалі Star Trek, потрібно розуміти одну просту річ. Наш світ влаштований таким чином, що якщо ми хочемо щось дізнатися про що завгодно, то в найдрібніших деталях ми завжди робитимемо помилки. Якщо ми, припустимо, візьмемо звичайний атом, то одночасно виміряти швидкість руху та позицію електронів у ньому не вдасться (це те, що називається принципом невизначеності Гейзенберга). Тобто не можна уявити результат у вигляді послідовності нулів та одиниць.

У квантовій механіці, проте, доречно поставити таке запитання: навіть якщо результат не можна записати, то, можливо, його все одно можна переслати? Цей процес пересилання інформації за межами точності, допустимої класичними вимірами, і називається квантовою телепортацією.

Коли вперше з'явилась квантова телепортація?

Юджин Ползік, Професор інституту Нільса Бора, Університет Копенгагена (Данія), член виконавчого комітету Російського квантового центру

B 1993 шість фізиків - Беннет, Броссар та інші - написали в Physical Review Lettersстаттю (pdf), в якій і вигадали чудову термінологію для квантової телепортації. Чудову ще й тому, що на публіку ця термінологія відтоді має виключно позитивний вплив. У роботі протокол передачі квантової інформації було описано суто теоретично.

У 1997 році була здійснена перша квантова телепортація фотонів (насправді експериментів було два - групи Заіллінгера і Де Мартіні; Заіллінгера просто більше цитують). У роботі вони телепортували поляризацію фотонів - напрямок цієї поляризації є квантова величина, тобто така величина, яка набуває різних значень з різною ймовірністю. Як виявилося, виміряти цю величину не можна, а телепортувати можна.

Тут треба ось що врахувати: в експериментах Заіллінгера і Де Мартіні телепортація була імовірнісною, тобто працювала з деякою ймовірністю успіху. Їм вдалося досягти ймовірності не менше 67 (2/3) відсотків - те, що російською мовою доречно назвати класичною межею.

Телепортація, про яку йдеться, отримала назву імовірнісної. 1998 року ми в Каліфорнійському технологічному інституті зробили так звану детерміністську телепортацію. У нас телепортувалися фаза та амплітуда світлового імпульсу. Вони, як кажуть фізики, так само як швидкість і місце розташування електрона, є «некоммутуючими змінними», тому підкоряються принципу Гейзенберга, що вже згадувався. Тобто не допускають одночасного виміру.

Атом можна уявити у вигляді маленького магніту. Напрямок цього магніту є напрям спина. Керувати орієнтацією такого «магніту» можна за допомогою магнітного поля та світла. У фотонів – частинок світла – теж є спін, який ще називають поляризацією.

У чому різниця між імовірнісною та детерміністською телепортаціями?

Щоб її пояснити, спочатку треба трохи детальніше поговорити про телепортацію. Уявіть, що в пунктах A та B розташовані атоми, для зручності – по одній штуці. Ми хочемо телепортувати, скажімо, спин атома з A до B, тобто привести атом у пункті B у такий же квантовий стан, що й атом A. Як я вже говорив, для цього одного класичного каналу зв'язку недостатньо, тому потрібні два канали - один класичний, інший квантовий. Як переносник квантової інформації у нас виступають кванти світла.

Спочатку ми пропускаємо світло через атом B. Відбувається процес заплутування, у результаті між світлом і спином атома встановлюється зв'язок. Коли світло приходить в А, можна вважати, що між двома пунктами встановився квантовий канал зв'язку. Світло, проходячи через A, зчитує інформацію з атома і після цього світло ловиться детекторами. Саме цей момент можна вважати моментом передачі інформації квантовим каналом.

Тепер залишається передати результат вимірювань класичного каналу B, щоб там, на основі цих даних, виконали деякі перетворення над спином атома (наприклад, змінили магнітне поле). В результаті, в точці B атом отримує стан спину атома A. Телепортація завершена.

Насправді, проте, фотони, подорожуючи квантовим каналом, губляться (наприклад, якщо цей канал - звичайне оптоволокно). Головна відмінність між імовірнісною та детерміністською телепортаціями якраз і полягає у ставленні до цих втрат. Імовірнісний все одно, скільки там загубилося - якщо з мільйона фотонів хоча б один дійшов, то вже добре. У цьому сенсі, звичайно, вона більше підходить для пересилання фотонів на великі відстані. нині рекорд становить 143 кілометри - прим. «Стрічки.ру»). Детерміністська телепортація до втрат відноситься гірше - взагалі кажучи, чим вище втрати, тим гірша якість телепортації, тобто на приймаючому кінці дроту виходить не зовсім вихідний квантовий стан - зате вона працює щоразу, коли, якщо сказати грубо, натискаєш на кнопку.

Заплутаний стан світла і атомів по суті є заплутаним станом їх спинів. Якщо спини, скажімо, атома та фотона заплутані, то виміри їхніх параметрів, як кажуть фізики, корелюють. Це означає, що, наприклад, якщо вимірювання спина фотона показало, що він спрямований вгору, спин атома буде направлений вниз; якщо спин фотона виявився спрямований праворуч, спин атома буде спрямований вліво і так далі. Фокус полягає в тому, що до вимірювання ні фотона, ні атома певного напрямку спина немає. Як виходить, що попри це вони корелюють? Тут якраз і має почати «крутитися головою від квантової механіки», як казав Нільс Бор.

Юджин Ползік

І як вони різняться сфери застосування?

Імовірнісні, як я казав, підходить для передачі даних на великі відстані. Скажімо, якщо в майбутньому ми захочемо збудувати квантовий інтернет, то нам буде потрібно саме телепортація такого типу. Що стосується детерміністської, то вона може бути корисною для телепортації будь-яких процесів.

Тут одразу треба пояснити: зараз такого прямо вже чіткого кордону між цими двома видами телепортації немає. Наприклад, у Російському квантовому центрі (і не лише в ньому) розробляються «гібридні» системи квантових комунікацій, де частково використовується імовірнісний, а частково – детерміністський підходи.

У нашій же роботі телепортація процесу була такою, знаєте, стробоскопічною - про безперервну телепортацію поки не йдеться.

Тобто, це дискретний процес?

Так. Насправді телепортація стану, вона, звісно, ​​може статися лише один раз. Одна з речей, які забороняє квантова механіка, - це клонування станів. Тобто, якщо ви телепортували щось, то ви це знищили.

Розкажіть про те, що вдалося зробити вашій групі.

Ми мали ансамбль атомів цезію, і телепортували ми колективний спин системи. Газ у нас знаходився під впливом лазера та магнітного поля, тому спини атомів були орієнтовані приблизно однаково. Непідготовлений читач може це уявляти так - наш колектив є велика магнітна стрілка.

У стрілки є невизначеність напрямку (це і означає, що спини орієнтовані «приблизно» однаково), та сама гейзенбергова. Виміряти напрямок цієї невизначеності точніше неможливо, а телепортувати становище - цілком. Розмір цієї невизначеності становить одиницю на квадратний корінь у складі атомів.

Тут важливо зробити якийсь відступ. Моя улюблена система – це газ атомів за кімнатної температури. Проблема з цією системою така: за кімнатних температур квантові стани швидко розвалюються. У нас же, однак, ці стани спини живуть дуже довго. І вдалося цього досягти завдяки співпраці з вченими з Санкт-Петербурга.

Вони розробили покриття, які називаються алкеновими. По суті, це щось дуже схоже на парафін. Якщо напилити таке покриття на внутрішню частину скляного осередку з газом, то молекули газу літають (зі швидкістю 200 метрів на секунду) і стикаються зі стінками, але нічого з їхнім спином не відбувається. Близько мільйона зіткнень вони так можуть витримати. У мене таке візуальне уявлення цього процесу: покриття – це як цілий ліс ліан, дуже великих, а спину для того, щоб зіпсуватись, потрібно свій спину комусь передати. А там це все таке велике і пов'язане, що передавати нема кому, тому він туди заходить, поборсається і вилітає назад, і нічого з ним не відбувається. З цими покриттями ми почали працювати 10 років тому. Наразі їх удосконалили та довели, що з ними можна працювати і в квантовій області.

Отож, повернемось до наших атомів цезію. Вони були за кімнатної температури (це добре ще й тому, що алкенові покриття високих температур не витримують, а щоб отримати газ, зазвичай треба щось випарувати, тобто нагріти).

Ви телепортували спини на півметра. Така невелика відстань – принципове обмеження?

Ні звичайно. Як я казав, детерміністська телепортація не зазнає втрат, тому лазерні імпульси у нас йшли відкритим простором - якби ми заганяли їх назад в оптоволокно, то незмінно були б якісь втрати. Взагалі кажучи, якщо там футуризм займатися, то цілком можна таким же променем стріляти в супутник, який переправлятиме сигнал куди треба.

Ви казали, що у планах маєте безперервну телепортацію?

Так. Тільки тут безперервність слід розуміти у кількох сенсах. З одного боку, у нас в роботі 10 12 атомів, тому дискретність напряму колективного спина настільки крихітна, що можна описувати спин безперервними змінними. У цьому сенсі наша телепортація була безперервною.

З іншого боку, якщо процес змінюється у часі, можна говорити про його безперервності у часі. Отже, я можу робити таке. У цього процесу є, припустимо, якась тимчасова постійна - допустимо, він відбувається за мілісекунди, і ось я взяв і розбив його на мікросекунди, і бум після першої мікросекунди телепортував; потім доведеться повернути у початковий стан.

Кожна така телепортація, звичайно, знищує стан, що телепортується, проте зовнішнє збудження, яке цей процес викликає, не чіпає. Тому ми телепортуємо якийсь інтеграл. Цей інтеграл ми можемо «розгорнути» і дізнатися щось про зовнішні збудження. Теоретична робота, в якій все це пропонується, щойно вийшла в Physical Review Letters.

Насправді таке телепортування сюди-туди можна використовувати для дуже глибоких речей. У мене тут щось відбувається, і тут щось відбувається, і за допомогою телепортаційного каналу я можу симулювати взаємодію - начебто ці два спини, які ніколи між собою не взаємодіяли, насправді взаємодіють. Тобто така квантова симуляція.

А квантова симуляція – це те, чому всі зараз стрибають. Замість того, щоб факторизувати мільйонні цифри, можна просто симулювати. Згадати той самий D-wave.

Детерміністська телепортація може використовуватись у квантових комп'ютерах?

Може, але тоді потрібно буде телепортувати кубити. Тут вже потрібні будь-які алгоритми корекції помилок. А їх зараз лише починають розробляти.

На сайті журналу Nature, 9 серпня вийшла китайська вчена, яким вдалося здійснити квантову телепортацію на відстань близько 97 км. Це новий рекорд, хоча в arXiv.org ще з 17 травня лежить поки що ніде не опублікована інша група, яка повідомляє про вдалі експерименти з телепортації на відстань близько 143 км.

Незважаючи на те, що явище квантової телепортації вивчається вже досить давно, у людей, далеких від науки, немає розуміння того, що це таке. Спробую розвіяти деякі міфи, пов'язані із цією частиною науки.

Міф 1: квантова телепортація теоретично дозволяє телепортувати будь-який об'єкт.

Насправді, за квантової телепортації передаються не фізичні об'єкти, а якась інформація, записана за допомогою квантових станів об'єктів. Зазвичай цим станом є поляризація фотонів. Як відомо, фотон може мати дві різні поляризації: наприклад, горизонтальну та вертикальну. Їх можна використовувати як переносники побітової інформації: скажімо, 0 відповідатиме горизонтальній поляризації, а 1 – вертикальній. Тоді передача стану одного фотона іншому забезпечить і передачу інформації.

У разі квантової телепортації передача даних відбувається в такий спосіб. Спочатку створюється пара про зчеплених фотонів. Це означає, що й стану виявляються у певному сенсі пов'язаними: якщо в одного при вимірі поляризація виявиться горизонтальною, то в іншого завжди буде вертикальною і навпаки, причому і той, і інший варіант виникає з однаковою ймовірністю. Потім ці фотони розносяться: один залишається біля джерела повідомлення, а другий виноситься його приймачем.

Коли джерело хоче передати своє повідомлення, він пов'язує свій фотон з ще одним фотоном, стан (тобто поляризація) якого точно відомий, а потім здійснює вимірювання поляризації обох своїх фотонів. У цей момент узгодженим чином змінюється стан фотона, що знаходиться у приймача. Вимірявши його поляризацію і дізнавшись іншими каналами зв'язку результати вимірювань фотонів джерела, приймач може точно встановить, який біт інформації був переданий.

Міф 2: за допомогою квантової телепортації можна передавати інформацію зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.

Дійсно, згідно з сучасними уявленнями передача станів між зчепленими фотонами відбувається миттєво, таким чином може виникнути відчуття, що й інформація передається миттєво. Це, проте, негаразд, оскільки хоча стан і було передано, прочитати його, розшифрувавши послання, можна лише після передачі додаткової інформації у тому, які ж поляризації двох фотонів, що у джерела. Ця додаткова інформація передається класичними каналами зв'язку і швидкість передачі перевищувати швидкість світла неспроможна.

Міф 3: виходить, що квантова телепортація зовсім нецікава.

Звичайно, на практиці виявляється, що процес квантової телепортації, можливо, не такий захоплюючий, як це може здатися за його назвою, однак і він може отримати важливе практичне застосування. Насамперед, це безпечна передача даних. Завжди можна перехопити повідомлення, надіслане класичними каналами зв'язку, однак скористатися ним зможе тільки той, у кого знаходиться другий зчеплений фотон. Решта прочитати повідомлення просто не зможуть. На жаль, поки що до реального використання цього ефекту далеко, на даному етапі йдуть лише наукові експерименти, що потребують досить складної апаратури.

Якщо вас зацікавила ця тема, можливо, вам буде цікаво почитати про те, що

Професор фізичного факультету Університет Калгарі (Канада), член Канадського інституту вищих досліджень Олександр Львівський постарався простою мовою розповісти про принципи квантової телепортації та квантової криптографії.

Ключ до замку

Криптографія - це мистецтво спілкування захищеним чином незахищеним каналом. Тобто, у вас є якась лінія, яку можуть прослуховувати, і вам потрібно передати по ній секретне повідомлення, яке ніхто сторонній не зможе прочитати.

Уявимо, що, скажімо, якщо в Аліси і Боба є так званий секретний ключ, а саме - таємна послідовність нулів і одиниць, якої немає ні в кого іншого, вони можуть зашифрувати повідомлення за допомогою цього ключа, застосувавши операцію, що виключає АБО, щоб нуль збігався з нулем, а одиниця – з одиницею. Таке зашифроване послання вже можна передати відкритим каналом. Якщо його хтось перехопить, це не страшно, адже його ніхто не зможе прочитати, окрім Боба, який має копію секретного ключа.

У будь-якій криптографії, у будь-якій комунікації найдорожчим ресурсом є випадкова послідовність нулів та одиниць, якою володіють лише два спілкуються. Але здебільшого використовується криптографія з відкритим ключем. Припустимо, ви купуєте щось за допомогою кредитної картки в інтернет-магазині за безпечним протоколом HTTPS. По ньому ваш комп'ютер перемовляється з якимсь сервером, з яким раніше ніколи не спілкувався, і у нього не було можливості обмінятися з цим сервером секретним ключем.

Таємниця цього діалогу забезпечується вирішенням складного математичного завдання, зокрема – розкладання на прості множники. Перемножити два простих числа легко, а якщо вже дане завдання знайти їхній твір, знайти два співмножники, то це важко. Якщо кількість досить велика, вона вимагатиме від звичайного комп'ютера багаторічних обчислень.

Однак, якщо цей комп'ютер не звичайний, а квантовий, він таке завдання вирішить легко. Коли він буде нарешті винайдений, наведений вище широко використовуваний метод виявиться марним, що, як очікується, матиме катастрофічні наслідки для суспільства.

Якщо пам'ятаєте, у першій книзі про Гаррі Поттера головному герою потрібно було пройти через захист, щоб дістатися Філософського каменю. Тут щось схоже: тому, хто встановив захист, буде легко пройти його. Гаррі довелося дуже важко, але в результаті він її все ж таки подолав.

Цей приклад добре ілюструє криптографію з відкритим ключем. Той, хто його не знає, в принципі має можливість розшифрувати повідомлення, однак йому буде дуже важко, і на це потенційно буде потрібно багато років. Абсолютна безпека криптографія з відкритим ключем не дає.

Квантова криптографія

Усе це пояснює необхідність квантової криптографії. Вона дає нам найкраще з обох світів. Є метод одноразового блокнота, надійний, але з іншого боку, що вимагає «дорогого» секретного ключа. Щоб Аліса могла спілкуватися з Бобом, вона повинна надіслати йому кур'єра з валізою, повною дисків з такими ключами. Він їх поступово витрачатиме, оскільки кожен із них можна використовувати лише один раз. З іншого боку, ми маємо метод відкритого ключа, який «дешевий», але не дає абсолютної надійності.

Квантова криптографія, з одного боку, «дешева», дозволяє безпечну передачу ключа по каналу, в який можуть залізти, а з іншого боку - гарантує секретність завдяки фундаментальним законам фізики. Сенс її полягає в тому, щоб кодувати інформацію у квантовому стані окремих фотонів.

Відповідно до постулатів квантової фізики, квантовий стан у момент, коли його намагаються виміряти, руйнується і змінюється. Таким чином, якщо на лінії між Алісою та Бобом є якийсь шпигун, який намагається підслухати чи підглянути, він неминуче змінить стан фотонів, які спілкуються зауважать, що лінію прослуховують, припинять комунікацію та вживуть заходів.

На відміну від багатьох інших квантових технологій, квантова криптографія є комерційною, це наукова фантастика. Вже зараз є компанії, які виробляють сервери, що підключаються до звичайної оптоволоконної лінії, за допомогою яких можна здійснювати безпечне спілкування.

Як працює поляризаційний світлодільник

Світло - це поперечна електромагнітна хвиля, що коливається не вздовж, а впоперек. Ця властивість називається поляризацією, і вона присутня навіть у окремих фотонах. За допомогою них можна кодувати інформацію. Наприклад, горизонтальний фотон - це нуль, а вертикальний - одиниця (те саме правильне для фотонів з поляризацією плюс 45 градусів і мінус 45 градусів).

Аліса закодувала таким чином інформацію, і Бобу треба прийняти її. Для цього використовується спеціальний прилад - поляризаційний світлодільник, куб, що складається з двох призм, склеєних між собою. Він пропускає горизонтально поляризований потік і відбиває вертикально поляризований, завдяки чому відбувається декодування інформації. Якщо горизонтальний фотон - нуль, а вертикальний - одиниця, тоді у разі логічного нуля клацне один детектор, а разі одиниці - інший.

Але що буде, якщо ми надішлемо діагональний фотон? Тоді починає відігравати роль знаменита квантова випадковість. Не можна сказати, пройде такий фотон чи позначиться - він із ймовірністю 50 відсотків зробить або одне, або інше. Передбачити його поведінку неможливо у принципі. Більше того, ця властивість є основою комерційних генераторів випадкових чисел.

Що ж робити, якщо ми маємо завдання розрізнити поляризації плюс 45 градусів і мінус 45 градусів? Потрібно повернути світлодільник навколо осі променя. Тоді закон квантової випадковості діятиме для фотонів із горизонтальною та вертикальною поляризаціями. Ця властивість є фундаментальною. Ми не можемо поставити питання про те, яка поляризація цього фотона.

Принцип квантової криптографії

У чому полягає ідея квантової криптографії? Припустимо, Аліса посилає Бобу фотон, який вона кодує або горизонтально-вертикальним чином, або діагональним. Боб теж підкидає монетку, вирішуючи випадковим чином, яким буде його базис: горизонтально-вертикальним чи діагональним. Якщо їх способи кодування збігатимуться - Боб отримає дані, які надіслала Аліса, якщо ж ні - то якусь нісенітницю. Вони проводять цю операцію багато тисяч разів, а потім «здзвонюються» відкритим каналом і повідомляють один одному, в яких базисах здійснювали передачу, - можна вважати, що ця інформація тепер доступна будь-кому. Далі Боб та Аліса зможуть відсіяти події, в яких базиси були різні, та залишити ті, в яких вони були однакові (їх буде приблизно половина).

Припустимо, в лінію вклинився якийсь шпигун, який бажає підслухати повідомлення, але йому також необхідно вимірювати інформацію в якомусь базисі. Уявімо, що у Аліси та Боба він збігся, а у шпигуна – ні. У ситуації, коли дані були надіслані в горизонтально-вертикальному базисі, а підслуховник виміряв передачу в діагональному, він набуде випадкового значення і перешле далі якийсь довільний фотон Бобу, бо не знає, яким він має бути. Таким чином, його втручання буде помічено.

Найголовніша проблема квантової криптографії – це втрати. Навіть найкраще та сучасне оптоволокно дає 50 відсотків втрат на кожні 10-12 кілометрів кабелю. Припустимо, ми посилаємо наш секретний ключ із Москви до Петербурга - на 750 кілометрів, і лише один із мільярда мільярдів фотонів досягне мети. Все це робить технологію зовсім непрактичною. Саме тому сучасна квантова криптографія працює лише на відстані приблизно 100 кілометрів. Теоретично відомо, як цю проблему вирішити – за допомогою квантових повторювачів, але для їх реалізації потрібна квантова телепортація.

Квантова заплутаність

Наукове визначення квантової заплутаності - це ділокалізоване стан суперпозиції. Звучить складно, але можна навести простий приклад. Припустимо, у нас є два фотони: горизонтальний і вертикальний, квантові стани яких взаємозалежні. Один із них ми посилаємо Алісі, а інший – Бобу, які роблять виміри на поляризаційному світлоділі.

Коли ці виміри відбуваються у звичайному горизонтально-вертикальному базисі, зрозуміло, що результат буде скорелювати. Якщо Аліса помітила горизонтальний фотон, то другий, звичайно, буде вертикальним, і навпаки. Це можна уявити простіше: у нас є синя і червона кулька, ми не дивлячись запечатуємо кожну з них у конверт і посилаємо двом одержувачам - якщо одному прийде червона, друга обов'язково отримає синю.

Але у разі квантової заплутаності цим справа не обмежується. Ця кореляція має місце у горизонтально-вертикальному базисі, а й у будь-якому іншому. Наприклад, якщо Аліса та Боб одночасно повернуть свої світлодільники на 45 градусів, у них знову буде повний збіг.

Це дуже дивне квантове явище. Припустимо, Аліса якимось чином повернула свій світлодільник і виявила якийсь фотон з поляризацією α, який пройшов через нього. Якщо Боб виміряє свій фотон у тому самому базисі, він виявить поляризацію 90 градусів +α.

Отже, спочатку ми маємо стан заплутаності: фотон Аліси повністю невизначений і фотон Боба повністю невизначений. Коли Аліса виміряла свій фотон, виявила якесь значення, то тепер відомо точно, який фотон у Боба, хоч би як далеко він був. Цей ефект багато разів підтверджений експериментами, це не фантазія.

Припустимо, Аліса має якийсь фотон з поляризацією α, яку вона ще не знає, тобто знаходиться в невідомому стані. Між нею та Бобом немає прямого каналу. Якби канал був, то Аліса змогла б зареєструвати стан фотона та донести цю інформацію до Боба. Але квантовий стан за один вимір дізнатися неможливо, тому такий спосіб годиться. Однак між Алісою та Бобом є заздалегідь приготовлена ​​заплутана пара фотонів. За рахунок цього можна змусити фотон Боба прийняти початковий стан фотона Аліси, «зателефонувавши» потім умовною телефонною лінією.

Ось класичний (хоч і дуже віддалений аналог) всього цього. Аліса та Боб отримують у конверті по кульці – синій або червоний. Аліса хоче надіслати Бобу інформацію про те, якою вона має. Для цього їй потрібно, "зателефонувавши" з Бобом, порівняти кульки, сказавши йому "у мене такий же" або "у нас різні". Якщо хтось підслуховує цю лінію, це не допоможе йому дізнатися їх колір.

Таким чином, існують чотири варіанти результату подій (умовно, у одержувачів сині кульки, червоні кульки, червона і синя або синя і червона). Вони цікаві тим, що утворюють базис. Якщо ми маємо два якихось фотони з невідомою поляризацією, то їм можна «задати питання», в якому з цих станів вони знаходяться, і отримати відповідь. Але якщо хоча б один з них виявиться заплутаний з якимсь іншим фотоном, то станеться ефект віддаленого приготування, і третій віддалений фотон «приготується» у певному стані. На цьому й ґрунтується квантова телепортація.

Як це все працює? У нас є заплутаний стан та фотон, який ми хочемо телепортувати. Аліса повинна зробити відповідний вимір вихідного телепортованого фотона і поставити питання, в якому стані знаходиться інший. Випадково вона отримує одну з чотирьох можливих відповідей. Внаслідок ефекту дистанційного приготування виявляється, що після цього виміру в залежності від результату фотон Боба перейшов у певний стан. До цього він був заплутаний з фотоном Аліси, перебуваючи у невизначеному стані.

Аліса повідомляє Бобу телефоном, яким був результат її вимірювань. Якщо її результат, припустимо, виявився ψ-, то Боб знає, що його фотон автоматично перетворився на цей стан. Якщо ж Аліса повідомила, що її вимір дав результат +, то фотон Боба прийняв поляризацію -α. Наприкінці експерименту з телепортації у Боба виявляється копія первісного фотона Аліси, а її фотон та інформація про нього у процесі руйнуються.

Технологія телепортації

Зараз ми вміємо телепортувати поляризацію фотонів та деякі стани атомів. Але коли пишуть, мовляв, вчені навчилися телепортувати атоми - це обман, адже в атомів дуже багато квантових станів, безліч. У кращому разі ми вигадали, як телепортувати пару з них.

Моє улюблене питання – коли буде телепортація людини? Відповідь – ніколи. Допустимо, у нас є капітан Пікард із серіалу «Зоряний шлях», якого потрібно телепортувати на поверхню планети з корабля. Для цього, як нам уже відомо, потрібно зробити ще пару таких самих Пікардів, привести їх у заплутаний стан, який включає всі його можливі стани (тверезого, п'яного, сплячого, що палить - абсолютно все) і провести вимірювання на обох. Зрозуміло, наскільки це складно та нереалізовано.

Квантова телепортація – це цікаве, але лабораторне явище. До телепортації живих істот справа не дійде (принаймні найближчим часом). Однак його можна використовувати на практиці для створення квантових повторювачів, передачі інформації на далекі відстані.

Можливість телепортації є однією з найбільш обговорюваних паранормальних і паранаукових проблем. Тим більше, що вона спирається відразу і на фантастичні містичні уявлення, і певні наукові досягнення. Однак різні повідомлення про те, що телепортація ось-ось буде досягнута на практиці, є лише несумлінним використанням інформації про квантову телепортацію. Квантова телепортація – це реальне фізичне явище, тільки до телепортації з теорій містиків і творів фантастів вона лише опосередковане ставлення.

Без Ейнштейна не обійшлося

Практика телепортації передбачає передачу матерії з однієї точки простору в іншу без наявності безперервної траєкторії руху. Тобто неможливо простежити безперервну послідовність знаходження речовини у певній точці в кожний наступний момент часу. Тим самим матерія на якийсь час як би зникає, щоб потім з'явитися вже в зовсім іншому місці. Нічого подібного у випадку квантової телепортації, звичайно, не відбувається. Вона пов'язана з особливими властивостями квантів і була вперше сформульована теоретично в 1930-і роки знаменитим Альбертом Ейнштейном.

Він припустив, що між двома частинками може існувати канал зв'язку з так званих сплутаних квантів, яким можлива передача властивостей від однієї елементарної частинки до іншої. Фізично елементарні частинки при цьому між собою не стикаються, тобто не контактують. Властивість однієї частки відправляється через квант, при цьому в точці відправлення ця властивість руйнується і зникає, частка відправника цієї властивості позбавляється. У свою чергу, на іншій частинці ця властивість з'являється, будучи переправленим через поплутані кванти. Ні енергія, ні сама матерія при цьому між частинками не перестрибують, а швидкість передачі властивостей не перевищує швидкість світла у вакуумі. Таким чином, жодні фізичні закони не порушуються і про реальну телепортацію не можна говорити. Характерно, що Ейнштейн не вірив у практичну здійсненність навіть цієї своєї теоретичної моделі, вважаючи квантову телепортацію наслідком суперечливості квантової теорії.

Реалізація на практиці

Квантова телепортація, відома також як ЕПР-ефект (названий так на прізвища співавторів теоретичної роботи з даної теми - Ейнштейна, Подільського, Розена), вважалася суто умоглядною протягом майже півстоліття. Але 1980 року існування цього ефекту було підтверджено експериментально. Було здійснено так звану телепортацію фотонів, тобто передачу властивостей з одного фотона на інший. Спочатку вчені було неможливо знайти пояснення такому явищу, яке суперечило законам фізики. Однак потім згадали про сформульований Ейнштейном та його колегами принцип квантової телепортації – і все стало на свої місця.

Причому особливість квантової телепортації полягала у можливості передачі властивостей між елементарними частинками значні відстані. Але одночасно виявились і різні складнощі. Так, дуже швидко з'ясувалося, що квантова телепортація має характерні для будь-якого каналу зв'язку обмеження – швидкість передачі не може перевищувати максимальної швидкості, доступної даного конкретного каналу. У кращому випадку вона буде наближатися до швидкості світла у вакуумі. До того ж, квантова телепортація не мала нічого спільного з «класичною» телепортацією, знайомою за фантастичними романами. Подібна передача енергії та матерії з однієї точки в іншу, як і раніше, не є можливою. Так що ентузіастам, які прагнуть здійснення телепортації людини, доведеться почекати. Дуже можливо, що почекати нескінченно довго: навіть при виявленні способу телепортації матерії складно уявити можливість телепортування розумних істот та відтворення на новому місці повноцінного механізму свідомості.

Експерименти рухають науку

Квантова телепортація отримала широке висвітлення у пресі у зв'язку з останніми досягненнями у цьому напрямі японських вчених. У ході різних експериментів ними було досягнуто вражаючих результатів. У першому випадку досвід виявився дуже ефектним: дослідники змогли "телепортувати" квант світла. По суті, це телепортація фотона – світло «розклали» окремими частинками-фотонами і за допомогою каналу зв'язку сплутаних квантів перенесли їх в іншу точку простору, де знову зібрали у світловий пучок. У другому випадку було досягнуто першої квантової телепортації не між двома, а між трьома фотонами. З погляду практичних наукових технологій, це справжній прорив, що відкриває реальні перспективи створення квантових комп'ютерів. Ці комп'ютери будуть значно продуктивніші у швидкості обробки даних, а також у їх сумарному обсязі.

Але японські експерименти з квантовою телепортацією зовсім на єдині, робота у цьому напрямі ведеться кілька десятиліть, але особливо активно останніми роками. Так, у 2004 році було здійснено успішні досліди квантової телепортації вже не між фотонами, а між атомами – у першому випадку властивостями обмінювалися іони атома кальцію, у другому – іони атома берилію. 2006 року квантова телепортація була проведена між двома різноприродними об'єктами, між атомами цезію, з одного боку, та квантами лазерного випромінювання, з іншого. З 2010 по 2012 роки вчені послідовно ставили вражаючі рекорди відстані квантової телепортації: спочатку в Китаї властивості між фотонами були передані на 16 кілометрів, потім у Піднебесній досягнення було збільшено до 97 кілометрів, а після в Австрії дослідники досягли телепортації на 143.

Олександр Бабицький