Заплутана квантова телепортація

 

    Чи можна порівняти винахід колеса і заплутаність, нехай навіть квантову?
Хочеться на цьому прикладі показати слабкість сучасних вчених, їх інфантилізм і слабкість.

Квантовий світ дуже далекий від нашого, тому його закони часто здаються нам дивними і контрінтуїтивними. Однак важливі новини з квантової фізики надходять буквально щодня, тому мати про них правильне уявлення зараз необхідно — інакше робота фізиків в наших очах перетворюється з науки на магію і обростає міфами. Яскравий приклад — квантова телепортація, навколо якої накопичилося стільки непорозумінь, що навіть наукові журналісти зазвичай не можуть описати такі експерименти коректно. З пояснення того, що таке квантова телепортація насправді, а чим вона не є, ми починаємо серію матеріалів, підготовлених у співпраці з Російським квантовим центром. Сьогодні на наші запитання відповідає Олександр Львівський, співробітник РКЦ і професор Університету Калгарі.
Що таке квантова телепортація, хто її вигадав, як виглядає найперший і найпростіший подібний експеримент?

Квантова телепортація — це коли квантовий стан деякого фізичного об'єкта (наприклад, фотона) передається на ідентичний об'єкт, що знаходиться в іншому місці, без використання прямого перенесення квантової частинки.

Ідея квантової телепортації була запропонована в 1993 році групою теоретиків, до якої входили Чарльз Беннетт і Жил Брассард — ті самі, які в 1984 році запропонували квантову криптографію. Що стосується експериментальних пріоритетів, то вони оскаржуються між двома групами. Перший експеримент з телепортації фотонів був проведений групою професора Франческо Де Мартіні в Римі. Однак стаття, надіслана ним до журналу, була «загорнута» рецензентами під технічними приводами. Тому першою вийшла стаття іншої групи — професора Антона Цайлінгера в Інсбруку (Австрія).

За традицією, партнерів, що знаходяться на двох кінцях квантової лінії зв'язку, називають Аліса і Боб. Отже, для того, щоб телепортувати фотон від Аліси до Боба, їм потрібно додатково приготувати і обмінятися парою фотонів в заплутаному стані. Таким чином, спочатку у Аліси два фотони: той, який вона хоче телепортувати, і один із двох заплутаних, а у Боба — другий із цих двох. Під час телепортації Аліса вимірює квантовий стан обох своїх фотонів і передає отриманий результат Бобу.

Що означає «вимірює квантовий стан»? Як це робиться в експерименті?

Якщо мова йде про стани оптичної поляризації (тобто в якій площині коливається поле електромагнітної хвилі), то використовуються так звані поляризаційні світлоділи. Це такий скляний кубик, який пропускає горизонтально поляризовані фотони і відбиває під кутом 90 градусів — вертикально поляризовані. Якщо фотон поляризований якось інакше, тобто знаходиться в суперпозиції вертикального і горизонтального станів, то він випадковим чином пройде наскрізь або відбиється, з певною ймовірністю. За кубиком, в каналах пропускання і відбиття, ставлять детектори одиночних фотонів, які генерують електричні імпульси при попаданні на них квантів світла.

Звідки беруться заплутані пари фотонів і що саме в них заплутано?

Заплутані пари фотонів утворюються в спеціальних кристалах. Чудова властивість таких кристалів полягає в тому, що вони можуть «ділити» фотони. Якщо пропустити через них потужний лазерний промінь, то деякі фотони в цьому промені розпадуться на пари фотонів меншої енергії. Ці пари можуть бути заплутані за різними параметрами, не тільки за поляризацією — за частотами, часом генерації, напрямками емісії.

Що таке взагалі заплутані частинки? Наприклад, ми взяли пару фотонів, рознесли їх на відстань і виміряли стан одного з них. З другим щось в цей момент сталося? Або ми просто щось дізналися про нього, як в експерименті з двома кульками, які можна кинути в мішок, витягнути одну і точно дізнатися, яка залишилася?
Заплутаний стан — це стан суперпозиції, в якому одночасно знаходяться два окремі квантові об'єкти. Наприклад, суперпозиція станів двох фотонів, в першому з яких фотон Аліси має горизонтальну поляризацію, а фотон Боба вертикальну, а в другому — навпаки, є заплутаною.

Квантові властивості заплутаних об'єктів є корельованими. Це означає не просто, що якщо один з партнерів виявить фотон у горизонтальній поляризації, поляризація другого виявиться вертикальною (подібна кореляція зустрічається і у класичних об'єктів, таких, як згадані Вами кульки в мішку). У разі квантової кореляції, який би кут поляризації не виявила Аліса, Боб неодмінно виявить поляризацію, ортогональну Алісі. У порівнянні з кульками різниця в тому, що вони мають певний колір самі по собі — ще до того, як ми їх побачили. З квантовим об'єктом справа йде інакше — не можна сказати, що вони мають якусь поляризацію до того, як ми її виміряли. До вимірювання вони знаходяться в суперпозиції різних поляризацій.

Припустимо, наприклад, що Аліса поставила на шляху свого фотона поляризаційний світлодільник, нахилений під кутом 30 градусів, і виявила, що детектор, розташований безпосередньо за ним, «клацнув». Це означає, що фотон пройшов через світлодільник — Аліса зафіксувала фотон з поляризацією 30 градусів. Тоді, якщо Боб зробить аналогічне вимірювання, його світлодільник фотон з певністю відіб'є, показуючи, що поляризація фотона Боба 120 градусів. Виходить, що Аліса, змінюючи кут свого світлодільника, може дистанційно готувати фотон Боба в певному стані — як би далеко Боб не знаходився, миттєво і без будь-якої взаємодії! Це явище називається квантовою нелокальністю. На жаль, використовуючи нелокальність, неможливо передавати інформацію на відстань (інакше така комунікація була б миттєвою, що суперечить теорії відносності та взагалі здоровому глузду). Однак це можна використовувати для телепортації, і вона не суперечить СТО.

Розібралися з заплутаними парами, тепер — як нам провести квантову телепортацію?

У телепортації використовується більш складний різновид нелокальності. Аліса робить спільне вимірювання над парою фотонів, які у неї «в руках» — початковим фотоном (який вона хоче телепортувати) і тим, що входить в заплутану пару.

Тоді фотон Боба перетворюється в стан з поляризацією, ідентичною початковій поляризації фотона Аліси, або такою, яка може бути приведена до цієї поляризації простою операцією. Фотон Аліси при цьому руйнується, завдяки чому дотримується заборона на квантове клонування.

Це ж обман, телепортується тільки стан частинки, а не сама частинка. Чому ж тоді це називається телепортацією?

По-перше, квантова телепортація — це фізичний термін, що має строго визначене значення, а «звичайна» телепортація — термін з фантастичної літератури. Так що це, взагалі кажучи, різні поняття. Однак слід пам'ятати, що все на світі, — включаючи тіло людини — за великим рахунком зводиться до нерозрізнюваних частинок. Ми складаємося з кисню, водню і вуглецю, з невеликою добавкою інших хімічних елементів. Якщо ми зберемо потрібну кількість атомів необхідних елементів, а потім за допомогою телепортації приведемо їх у стан, ідентичний їхньому стану в тілі телепортованої людини — вийде та сама людина. Вона буде фізично не відрізнити від оригіналу, за винятком свого положення в просторі (адже ідентичні квантові частинки нерозрізнимі). Я, звичайно, гранично перебільшую — від телепортації людини нас відділяє ціла вічність. Однак суть питання саме в цьому: ідентичні квантові частинки зустрічаються всюди, а ось привести їх у потрібний квантовий стан зовсім непросто.

Добре, а навіщо взагалі щось телепортувати?

Телепортація макроскопічних об'єктів — наприклад, людей — не входить до числа нагальних завдань квантової технології. Однак телепортація квантових станів мікроскопічних частинок — фотонів, атомів — виявляється корисною для квантових інформаційних технологій. Наприклад, вона є важливою складовою певних моделей квантових комп'ютерів і повторювачів (репітерів).

І як за допомогою телепортації можна зробити зв'язок?

Квантовий зв'язок заснований на кодуванні бітів у станах окремих фотонів. У сучасних системах квантового зв'язку ці фотони передаються від Аліси до Боба безпосередньо по оптоволоконному каналу. Проблема в тому, що в таких каналах є істотні втрати: половина всіх фотонів втрачається кожні 10-15 км. Це обмежує практичну дальність передачі десь сотнею кілометрів. Цю складність, однак, можна обійти, якщо не передавати фотони безпосередньо, а телепортувати їх. Тоді фотону Аліси доведеться подолати лише невелику відстань.

І як це вдається на практиці? Яка швидкість, дальність телепортації, що з репітерами?

Не вдаючись у технічні подробиці, скажу, що для здійснення такої схеми необхідно вміти не тільки телепортувати квантові стани фотонів, але й зберігати їх незмінними протягом відносно тривалого часу (хоча б декількох мілісекунд). Для цього необхідно розробити квантову комірку пам'яті для фотонів, а такого приладу з необхідними параметрами поки що у нас немає. Тому квантовий повторювач поки що не реалізований. Однак сподіваюся, що ми подолаємо труднощі протягом найближчих кількох років.

Які головні проблеми стоять перед квантовою телепортацією, що нам обіцяє їх вирішення?

Для реалізації «квантового інтернету» та інших квантових інформаційних технологій нам потрібно навчитися переносити квантові стани між об'єктами різної фізичної природи — фотонами, атомами, квантовими точками, надпровідними ланцюгами тощо.