Квантовая телепортация

Интервью с физиком Юджином Ползиком о современном понимании идеи телепортации, сериале «Star Trek» и принципах квантовой криптографии

— Какие фундаментальные идеи лежат в основе квантовой телепортации?

— Давайте обратимся к сериалу «Star Trek», которому исполнилось уже 40 лет. Когда физики действительно придумали то, что мы сегодня называем квантовой телепортацией, кому-то из них пришла в голову идея назвать это именно так. И эта идея, безусловно, очень хорошо резонирует с даже далекими от фундаментальной науки людьми.

Попробуем разобраться, в чем разница между «Star Trek» и современными представлениями о квантовой телепортации и что общего. В фильме астронавты испарялись, как бы превращались во что-то светящееся и потом на другой стороне Вселенной снова превращались в материальные объекты. У физики с этим есть проблемы. Когда я говорю «у физики есть проблемы», значит, они есть у всех из нас, потому что физика объясняет, как существует мир. Проблем несколько. Во-первых, ничто не может распространяться быстрее скорости света. С этим правилом приходится жить и мириться. Во-вторых, превратить материю в свет сложно, дорого и, в общем, не нужно. Тогда возникает вопрос: если мы не хотим передавать материю астронавтам, то что мы хотим передать? Давайте мы просто возьмем и сделаем на той планете, где мы хотим воссоздать астронавта, кучу атомов, которых достаточно для того, чтобы этого астронавта «построить». Посмотрим на этого астронавта с помощью самых лучших приборов, запишем о нем всю информацию, перешлем любыми средствами, на другой стороне получат инструкции и соберут его из кубиков. То, что я сейчас описал, невозможно.
Физика долго развивалась, начиная с Птолемея и Архимеда, казалось, что чем дальше, тем больше мы будем знать об окружающем мире и в конце концов узнаем все.

Но примерно сто лет назад вдруг выяснилось, что есть принципиальные запреты на то, насколько хорошо и детально мы можем узнать окружающий мир. Например, мы помним схему устройства атома: в середине ядро, вокруг, как планеты, летают электроны. Это неправда. Это не то, как устроен атом. На самом деле никто в принципе не может предсказать, где данный электрон находится в данный момент времени. Он — облако вероятности. Это один из примеров того, что невозможно предсказать положение частицы и ее скорость одновременно. А если даже это невозможно, то как мы можем описать все атомы, как мы можем описать такую сложную систему, как человек? Разумеется, может быть, нам это и не нужно. Скажем, биологическое клонирование просто делает такую же ДНК, как у одной овцы, получая примерно такую же. Поэтому, если мы хотим сделать примерно такого же астронавта, наверное, мы можем это сделать. Но вот в точности такого же — нельзя.

— Вопрос ли это недостаточности развития науки, нашего знания? Может быть, это просто ограничения временного характера?

— Насколько мы знаем мир, который вокруг нас, это принципиально невозможно — записать на листе бумаги или в компьютере любого размера всю информацию о каждом электроне и атоме, находящемся в нашем мозге, в нашей руке, в ногте и так далее. Люди, которые придумали принцип квантовой телепортации, нашли способ это обойти.

Мы говорили о том, что невозможно записать подобные данные на компьютер, как биты классической информации (ноль и единица). Это невозможно сделать, потому что есть квантовые неопределенности, которые не позволяют измерять точно. Квантовые неопределенности, в частности, это невозможность одновременно измерить позицию и скорость частицы. То есть мы не знаем, где в атоме находится электрон и с какой скоростью он движется.
Способ обойти то, что нельзя записать как поток цифр, — это использовать квантовые связи: если нельзя послать информацию одним каналом, где она вся записана, давайте мы ее пошлем двумя каналами, в каждом из которых информация будет неполная. А если мы ее соединим на другом конце, то она станет полной, и мы сможем воссоздать этот объект.

— В чем же состоит фундаментальная проблема: в том, чтобы передать эту информацию без потерь, или в том, можем ли мы воспроизвести в конечном итоге того астронавта, которого разбили где-то на атомы?

— Мы можем воспроизвести. Но только для этого нужно информацию передавать не обычным классическим способом, как по интернету или телефону, а двумя путями, один из которых должен быть квантовым каналом. Квантовый канал может быть заранее установлен между посылающим пунктом и принимающим. Он должен создать так называемые перепутанные состояния между атомами, например, на Марсе и на Земле, между которыми мы должны создать квантовую телепортацию.

Например, мы не можем точно сказать позицию и скорость каждого электрона. Но мы можем сделать два электрона такими, что их относительная позиция и относительная скорость будут известны. Тогда у нас известно a — b и c — d. Квантовая физика не запрещает этого. После, используя эти квантовые корреляции, перепутанные состояния электронов и протонов на расстоянии, мы можем классической линией связи передать инструкции, как использовать эти перепутанные состояния для того, чтобы воспроизвести предмет. То есть мы нигде не нарушаем запрета на то, что вся информация не может быть записана на листе бумаги или в компьютере.

— Существуют ли трудности в фиксации перепутанных состояний?

— Во-первых, давайте не будем говорить о человеке. В человеке электронов не счесть. Давайте поговорим об одном атоме. Один атом, один электрон, один протон. Что такое состояние атома? Состояние атома — это информация о скорости и положении электрона и протона. Также у электрона может быть такой магнитный момент, как стрелка компаса. Если мы знаем направление стрелки этого компаса-электрона, его положение и скорость и если мы можем воссоздать точно такой же электрон на другой планете, то тот электрон, который мы воссоздали, будет неотличим. Можно считать, что это будет тот же самый электрон. Если они в одинаковом состоянии, значит, это одна и та же частица. И нам нужно создать перепутанные состояния двух электронов так, чтобы их положение и скорости были скоррелированы. Это сложно, потому что электроны «не любят» сохранять перепутанные состояния, перепутанные состояния очень хрупкие. Проблема заключается в том, что любое внешнее воздействие на этот электрон (магнитное поле или радиоволна) сразу все испортит. Кроме того, это перепутанное состояние можно создать на расстоянии, только посылая свет.
Максимальное время, в течение которого сейчас перепутанные состояния двух частиц могут жить, — секунды. И то это колоссальное достижение, которому мы все очень рады. Обычно перепутанные состояния живут доли секунды.

— Каким образом квантовая телепортация сегодня существует как исследовательская область? Какие есть успешные эксперименты?

— Началось все на самом деле с телепортирования импульсов света. Что представляется довольно странной вещью, потому что свет и так летает, и зачем вообще его телепортировать? Тем не менее это была первая площадка, на которой использовались описанные принципы. Первые эксперименты по телепортации проводились в 1997–1998 годах в Европе, в Калифорнии, в Америке и вызвали большой резонанс в научном обществе. Дальше физики стали пытаться телепортировать материальные объекты.

— Каковы были дальнейшие эксперименты?

— Дальнейшие эксперименты были сделаны с одиночными атомами на очень малом расстоянии — на одной миллионной метра. Можно было передать состояние атомного магнита — направления магнитного момента атома. Помимо положения и скорости частицы у каждого электрона в атоме есть магнитный момент, то, что мы называем стрелкой компаса, направление которой узнать нельзя. В то же самое время можно закодировать на ней информацию. Скажем, если стрелка смотрит наверх, то это бит единица, если стрелка направлена вниз, то это бит ноль, если налево — бит единица, если направо — бит ноль и так далее. Передача такой информации на расстояние очень интересна, потому что эти атомные магнитики могут также находиться одновременно в двух состояниях. Он может одновременно смотреть вверх и вниз. Это уже прямой путь к тому, для чего телепортация сейчас применяется: квантовая информация, квантовые коммуникации и в будущем квантовые компьютеры. Здесь мы не пытаемся телепортировать какой-то сложный объект.

Мы говорим: «Давайте закодируем информацию в направлениях магнитных моментов». И мы можем ее телепортировать из одного места в другое. Поскольку эту информацию невозможно прочитать, то это секрет. В этот секрет можно закодировать что-то для вас очень важное, передать его на другую сторону. И этот секрет невозможно будет расшифровать без того, что вас поймают. Конечно, его можно перехватить. Но его невозможно будет воссоздать, потому что, как вы помните, копию создать невозможно. Квантовая телепортация используется для квантовых коммуникаций, например для передачи секретной информации, которую в принципе невозможно украсть, не будучи незамеченным.

— Квантовая телепортация уже используется с этой целью?

— Да. Одни университетские лаборатории делают такие приборы, которые другие лаборатории могут купить за деньги, и можно передать информацию с помощью телепортации.

— И играют в морской бой с помощью этих приборов.

— Между прочим, Вы правы. Когда меня спрашивают, зачем это нужно, игры приходят в голову в первую очередь.

— Как осуществляется телепортация в связи с квантовой криптографией?

— В этом случае атомы используются скорее как ячейки памяти, а в качестве передатчиков информации используют частицы света — фотоны. Зачем посылать атомы на большое расстояние? Надо сказать, что, когда мы сидим в интернете, мы тоже используем повторительные станции. Потому что свет, который распространяется по стекловолокну и несет всю информацию в интернете, ослабляется за счет рассеивания в волокне, и его надо немного усиливать и пересылать дальше. Но, поскольку мы только что договорились, что в квантовой жизни невозможно создавать копии, это значит, что невозможно и усиливать. Если бы я мог усилить в два раза какое-то состояние, я бы потом разделил его пополам и получил две копии. Поэтому квантовые повторители — это огромный вызов, большая проблема.

Процесс происходит следующим образом. Мы с вами разделены каким-то расстоянием. У меня в моей квантовой памяти, в атомах, хранится какая-то квантовая информация, я хочу ее передать вам. Я ее должен перевести в фотоны и потом телепортировать вам.

— То есть отправить мне свет.

— Отправить вам свет, в котором будут закодированы квантовым образом свойства моих атомов. Вы их получите, переведете в свои атомы и узнаете, что у меня в моих атомах было записано. При этом информация в моих атомах будет стерта — как мы договорились, ее невозможно клонировать. Если плохие люди захотят эту информацию украсть, им придется взять эти фотоны, ответвить от этого кабеля и начать на них смотреть. Как только они начинают на них смотреть, они их меняют. Потому что они не могут создать копию себе и вам послать такую же. А если они пошлют вам неправильную копию, мы с вами, в конце концов, можем и проверить: мы посылаем информацию и время от времени проверяем. Я говорю: «Я послал а, b и c». Вы говорите: «Я получил x, y и z». Мы понимаем, что что-то произошло и надо ловить преступников. То есть невозможно непойманным украсть информацию, зашифрованную квантовым образом.



Юджин Ползик - профессор физики, Институт Нильса Бора, Университет Копенгагена (Дания), член исполнительного комитета Российского квантового центра

Источник