Квантовые игры

Еще недавно термин «квантовая телепортация» был известен лишь узкому кругу ученых. В октябре 2012 года Серж Арош и Дэвид Уайнленд получили Нобелевскую премию по физике – за создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами. Мы почти подобрали ключик к закрытой двери, за которой нас ждут качественно новые открытия.

Свойства объекта

Мгновенное перемещение материи на любое расстояние — давняя мечта человечества. Хотя сам термин «квантовая телепортация» появился относительно недавно (его в 1931 году придумал американский писатель Чарльз Форт), идея телепортации существует с древнейших времён. К примеру, в известной сказке про Аладдина джинн умел не только телепортироваться из Персии в Ифракию, но и переносить с собой дворец со всем его содержимым.

С точки зрения физики идея телепортации в таком виде совершенно нелепа, так как в соответствии с теорией относительности скорость выше световой невозможна. Если же говорить о переносе не материи, а содержащейся в ней информации, то телепортация в определенном смысле действительно осуществима. Приведем простой пример. Допустим, у вас и у вашего знакомого есть по одинаковой флешке. Если он пришлет вам файлы со своей флешки, а вы запишете их на свою, то у вас в руках будет точная копия его флешки. Материя при этом никуда не переносится.

«Однако копия не будет совсем точной, — говорит профессор физического факультета Университета Калгари, член Научного комитета Российского квантового центра Александр Львовский. — Если посмотреть на ячейки памяти под электронным микроскопом, то мы заметим разницу в их строении. Точная передача всей информации, содержащейся в материи на микроскопическом уровне, то есть квантового состояния материи, – это более сложная задача. Её и решает квантовая телепортация».

В отличие от мгновенного перемещения предметов, популярного в научной фантастике, при квантовой телепортации речь идет не о переносе квантового объекта (частицы) как такового, а о более тонком процессе  — переносе свойств (состояния) этого объекта. И хотя в таком случае физического перемещения не происходит, в итоге все же получается «дубликат» со всеми свойствами начальной частицы.

В 1993 году ученые из разных стран обосновали в теории, как можно передавать квантовую информацию из одной точки в другую, не пересекая при этом промежуточное пространство. Эту технику исследователи и назвали телепортацией.

Для пересылки информации ученые предлагали использовать свойство квантовой запутанности (ее еще называют перепутанностью или сцепленностью) — когда две частицы словно живут одной жизнью, а связь между ними столь тесна, что даже измерение одной из них тут же изменяет квантовую информацию, записанную во второй частице, вне зависимости от расстояния, на котором они находятся друг от друга.

Перепутанные частицы света – фотоны – можно получить в процессе спонтанного параметрического рассеяния: один фотон падающего света в нелинейном кристалле может преобразоваться в пару фотонов рассеянного излучения, находящихся в едином квантовом состоянии. 

Первые успешные эксперименты по телепортации поляризационного состояния фотона были проведены в 1997 году физиками из Инсбрукского и Римского университетов. Расстояние, на которое происходила телепортация, составляло лишь около 1 метра, а вероятность успешной передачи была ничтожно мала. И учёные со всего мира включились в гонку по улучшению этой технологии.

В 1998 году группа ученых из Калифорнийского технологического института, в которую входил наш бывший соотечественник Евгений Ползик, провела первый в истории эксперимент по телепортации произвольных (не только однофотонных) квантовых состояний света.

В 2001 году австрийским учёным удалось телепортировать состояние фотона уже на 10 километров, а три года спустя вместе с коллегами из американского Национального института стандартов и технологий они телепортировали квантовые состояния ионов кальция и бериллия. В 2006-м группа Ползика осуществила перенос состояния света в другую физическую среду –  пары рубидия. Ученые переместили информацию, закодированную в лазерном луче, в скопление атомов металла, тем самым доказав возможность телепортации между объектами разной природы – светом и материей.

Недавно процесс передачи впервые провели через атмосферу на расстояние 97 километров, между двумя берегами китайского озера Цинхай (Кукунор). Этот прорыв, благодаря высокоточной системе наведения и настройки на цель, совершила группа китайских ученых.

Но лидерами светила науки Поднебесной оставались недолго.

Весной 2012 года международный коллектив под руководством австрийского физика Антона Цайлингера, одного из авторов первых экспериментов по квантовой телепортации, произвел оптическую телепортацию между Канарскими островами Ла-Пальма и Тенерифе над водами Атлантического океана — на 143 километра, и пока этот рекорд никем не побит.

Подслушать фотоны

Сегодня квантовая телепортация — одно из самых перспективных направлений науки. Выдающиеся ученые 40 стран мира и целые лаборатории занимаются его активным освоением. Какую пользу могут принести новые знания человечеству?

На практике основная надежда, связанная с эффектом телепортации (или близким к нему эффектом обмена перепутанными состояниями), состоит в квантовой коммуникации. Казалось бы, от передачи состояний микроскопических частиц пользы немного. Но у квантовой коммуникации есть преимущество перед всеми остальными каналами связи: она позволяет вести абсолютно безопасную передачу сигналов. Если злоумышленник попытается «подслушать» фотоны, несущие информацию по квантовому каналу, то он неизбежно будет замечен. Согласно фундаментальному закону квантовой физики, на котором основан такой метод защиты, как квантовая криптография, микроскопическое состояние материи нельзя измерить, не изменив его.

Именно это свойство можно использовать для безопасной передачи данных на большие расстояния, кодируя их в квантах света. В таком случае, если на пересылаемые данные кто-то посягнет, получатель обязательно это определит.

Эффект квантовой телепортации может быть использован не только при передаче закрытой информации, но и при создании элементов квантового процессора. «Сейчас активно разрабатывается применение квантовой телепортации в устройствах квантовых вычислений, когда разные элементы процессора не могут по каким-то причинам быть непосредственно соединены прямыми каналами связи», — рассказывает доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ Сергей Кулик. В разных странах проводится множество исследований, цель которых внедрить в широкую практику квантовый компьютер — гипотетическое устройство, использующее квантовые свойства материи для вычислений.

Предполагается, что он будет способен решать поставленные задачи в тысячи раз быстрее, чем его классический аналог. Данные в квантовом компьютере будут храниться на атомном уровне, а операции будут производиться  с кубитами – квантовыми разрядами (а не с битами, как в обычном компьютере).

В лабораториях удалось создать квантовые «мини-компьютеры» в несколько кубитов. Перепутанные кубиты объединяют в себе больше состояний, чем удалось бы записать в тех же частицах по отдельности, поэтому вычисления можно будет одномоментно производить с колоссальными объемами данных.

В июне 2008 года Джефф Кимбл из Калифорнийского технологического института предложил концепцию квантового интернета, который, как считают, превзойдет по всем параметрам известные на сегодняшний день сети. По мнению Александра Львовского, квантовый интернет, скорее всего, превзойдёт классический лишь в некоторых аспектах — например, в безопасности. Что же касается скорости и особенно дешевизны, то классическим коммуникациям долго не будет равных. Поэтому основная доля информации будет по-прежнему передаваться по оптическим сетям.

Квантовый канал по скорости пока заметно уступает привычным нам способам передачи данных. Это происходит из-за того, что при пересылке информации задействуется традиционный канал. Любое нарушение процесса передачи считается подслушиванием, что автоматически ведет к сбросу и началу новой передачи, а значит, удлинению процесса.

«Никакого «мгновенного» переноса при квантовой телепортации не происходит – это противоречит принципам специальной теории относительности, — говорит Сергей Кулик. — На телепортацию требуется столько времени, сколько необходимо классическому сигналу при распространении из одной пространственной точки в другую».

Как сохранить передачу?

В освоении квантовой телепортации учеными сделан большой рывок. По мнению профессора Кулика, именно телепортация состояний массивных частиц составляет прорыв в этой области. Другим техническим результатом, который постоянно совершенствуется, является увеличение расстояния, на которое телепортируется состояние квантового объекта.

Одно из основных достижений последнего времени — разработка эффективных методов генерации перепутанных состояний фотонов, лежащих в основе эффекта квантовой телепортации. Ведутся исследования новых возможностей генерации, преобразования и измерения этих состояний. Одна из приоритетных задач, которая стоит перед учеными, — научиться комбинировать квантовую телепортацию с квантовой памятью, чтобы телепортированное состояние можно было на некоторое время сохранить — как письмо в ящике «до востребования». Эта технология позволит создать так называемый квантовый повторитель, с помощью которого будет возможна квантовая коммуникация на реально далёких расстояниях — например, через океаны.

«Это, опять же, непросто, — комментирует Александр Львовский. — Дело в том, что передача квантовой информации осуществляется с помощью света, фотонов. Альтернативы этому пока нет. Поэтому мы должны научиться переносить квантовое состояние фотона на другие объекты — например, атомы».

Телепортировать состояния ионов и полностью записать состояние фотона на ион или атом – это разные вещи. Если первое на сегодняшний день – чисто умозрительный (хотя очень сложный и красивый) эксперимент, то второй эффект будет использован в элементах квантовой памяти. Хотя, несомненно, все это относится к одному и тому же кругу проблем, который можно назвать «взаимодействие индивидуальных квантовых объектов» или «взаимодействие единичных атомов и ионов с отдельными фотонами».

Чтобы ячейку квантовой оптической памяти можно было применять в линиях связи, она должна обладать двумя свойствами. Во-первых, считанная из ячейки квантовая информация должна быть максимально идентична той, которую в неё до этого записали. Во-вторых, чтобы квантовое состояние, хранясь в ячейке, оставалось неизменным в течение длительного времени. Ученым удалось выполнить каждое из этих требований по отдельности. Следующий шаг – совместить их в одном эксперименте.

Чтобы реализовать на практике эту задачу, потребуется от трех до пяти лет, прогнозирует профессор Львовский. Сейчас этим вопросом занимаются многие лаборатории мира, и вполне вероятно, что в ближайшие годы они добьются значительных успехов.

Наши бывшие соотечественники внесли существенный вклад в развитие данного направления. В начале XXI века Михаил Лукин (теперь профессор физики в Гарварде) изобрёл метод сохранения информации, переносимой светом, который определил тенденции исследований квантовой памяти на годы вперёд. А профессор Технологического университета Джоржии Алекс Кузмич стал автором экспериментальных работ с рекордными показателями и по эффективности, и по длительности хранения оптической квантовой информации.

Другая важная задача, которую ставят перед собой специалисты, —  это передача квантовой информации с Земли на спутники в космосе. Группа Антона Цайлингера планирует отправить на орбиту специальную лазерную установку, которая должна стать источником запутанных фотонов. Ученые намерены создать двунаправленный коммуникационный квантовый канал, задействовав установку на МКС и подобный ей аппарат на Земле.

В связи с активным изучением квантовой телепортации все чаще поднимается вопрос: возможна ли квантовая телепортация состояния человека? Одни исследователи выдвигают смелые предположения о реальности такой перспективы к концу этого века, другие называют подобные разговоры профанацией.

«Полная передача квантового состояния такого огромного и сложного объёма материи, которым является человек, представляется мне запредельно сложной задачей, — выражает свою точку зрения Александр Львовский. – Но, возможно, стоит подойти к этому вопросу по-другому. Сейчас многие говорят о переносе человеческого сознания в компьютер, о том, что разум человека вырастет из своей биологической оболочки и научится выбирать свой материальный носитель по собственному усмотрению».

Если эту мечту удастся реализовать, то «телепортация» человека будет мало отличаться от передачи компьютерного файла. Однако многое зависит от того, является ли человеческий мозг по своей сути гигантской вычислительной машиной (машиной Тьюринга, как говорят кибернетики) или чем-то более сложным. В первом случае для передачи информации, хранящейся в человеческом разуме, будет достаточно современных компьютерных сетей, конечно, усовершенствованных. Если же мозг представляет собой, скажем, квантовый компьютер, то без квантовой телепортации не обойтись. В любом случае, не будем забывать, что фантастика – это еще не сбывшаяся реальность.

Анна Акулич
Опубликовано в журнале Discovery