Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
деп_тукс_10_11.doc
Скачиваний:
144
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
2.88 Mб
Скачать

6. Квантовая телепортация

6.1 Общие представления

В 1993 году была опубликована статья Ч. Беннета с соавторами, которая называлась "Телепортация неизвестных квантовых состояний через двойной классический и ЭПР – каналы".

Вообще «телепортация» - это термин, взятый из научной фантастики и означающий мгновенную транспортировку чего-либо или кого-либо в пространстве. Одной из главных научных новостей последних пятнадцати лет стало экспериментальное подтверждение явления так называемой квантовой телепортации - феномена мгновенной связи между микрочастицами. Сообщения из научных кругов вызвали в широкой прессе массу псевдонаучных комментариев о возможности мгновенного перемещения тел в пространстве. На самом деле все это не так. У квантовой телепортации действительно есть колоссальный технологический потенциал, но лежит он совсем в других сферах - в дальнейшем развитии квантовой физики, в области связи и квантовых компьютеров.

Вовсе неудивительно, что за сообщениями об успешных экспериментах по квантовой телепортации последовали их самые фантастические интерпретации: с момента своего возникновения в начале 20-х годов XX-го столетия квантовая механика была и остается самым интригующим разделом физики. В мире больших макроскопических тел квантовые эффекты не наблюдаемы. Ричард Фейнман подчёркивал, что квантовую механику невозможно постичь, в нее можно лишь поверить. С точки зрения человеческого макроскопического опыта трудно представить образно, что частица не обладает траекторией; что она с различной вероятностью одновременно находится в каждой точке пространства; что она может спокойно пройти, или "протуннелировать" сквозь преграду, и если нам удалось задержать ее в какой-нибудь ловушке, то предоставленная самой себе частица вскоре расплывется.

Высказывались не профессиональные «любительские» суждения, что в будущем путешествовать будут исключительно посредством телепортации, исчезая в одном месте и воспроизводясь в другом. Подобная точка зрения полностью не соответствует действительности: квантовая телепортация отнюдь не означает возможности перемещения материального объекта. На самом деле речь идет о переносе состояния с одной частицы на другую независимо от того, как далеко друг от друга они находятся. Под состоянием частицы в квантовой физике подразумевается определенный набор характеризующих ее параметров, например импульс. Для того чтобы "телепортировать" материальное тело, нужно иметь по месту назначения "строительный материал" — набор атомов, в точности совпадающий с тем, из которого состоит оригинальное тело. Но, даже предположив, что удалось собрать эти частицы, нужно суметь передать им квантовое состояние телепортируемого предмета.

Термины «передача сигнала» или «передача информации» в данном случае не очень удачны — ничто никуда здесь не передается и не перемещается из одного места в другое. Более правильным является представление, что система по одним степеням свободы может быть сепарабельна (например, по пространственным координатам) и разделена на части, находящиеся в разных пространственных областях, а по другим (спиновым) — нет. В последнем случае система будет составлять единое целое, и спины станут изменяться согласованно, на каком угодно большом расстоянии не находились бы частицы. При этом никакие сигналы никуда не передаются. Спины частиц в случае запутанного состояния не разнесены в пространстве и не существуют самостоятельно в качестве отдельных элементов реальности, они как бы находятся в одном месте. Поэтому о каком-либо перемещении информации говорить бессмысленно. Недоразумения здесь возникают в силу укоренившихся предубеждений, когда мы по привычке начинаем рассуждать, как «локальные реалисты», о том, что если два объекта отделены друг от друга, то каждый из них несет в себе все свои внутренние характеристики. На самом деле это далеко не так. В какой-то своей части, по отдельным степеням свободы, объекты могут оставаться неразделенными, что со всей убедительностью подтверждается физическими экспериментами.

Вообще существование квантовой телепортации было предсказано ещё до второй мировой войны, но первую принципиальную схему эксперимента по реализации такого взаимодействия предложили только в 1993 году. Впервые эффект квантовой телепортации был предложен в работе Беннета и Брассарда с соавторами, сотрудниками исследовательского центра IBM. Тогда же ими был введен и термин "квантовая телепортация". Сам же эксперимент был впервые осуществлен в 2004 году: группа австрийских физиков под руководством А. Цайлингера наблюдала телепортацию квантового состояния на примере фотонов света. Сообщения о более позднем эксперименте по телепортации фотонов, поставленном в Италии, появились весной 2005 г. Результаты еще одного эксперимента, показывающие наличие связи между состояниями фотонов на гигантских (в масштабах микромира) расстояниях - более 10 км - опубликованы швейцарскими учеными уже летом 2005 года в журнале Physical Review A.

Интересно, что предсказание эффекта квантовой телепортации было сделано человеком, пытавшимся опровергнуть полноту квантовой физики. Этим человеком был А. Эйнштейн, оказавшийся гениальным и удачливым и в своих заблуждениях. Возражая против квантовой теории, Эйнштейн придумал знаменитый парадокс, опубликованный им в 1935 году в соавторстве с Б. Подольским и Н. Розеном. Используя принцип неопределенности Гейзенберга они логически вывели из него следующий тезис: если есть две частицы А и Б разлетаются в разных направлениях после соударения, то состояние частицы Б зависит от состояния частицы А, причем эта зависимость проявляется мгновенно и на любом расстоянии между А и Б. Этот парадокс и послужил впоследствии основой для открытия явления квантовой "телепортации". Но Эйнштейн считал мгновенную передачу сигнала невозможной, противоречащей здравому смыслу и нашему повседневному опыту. Кроме того, конечность скорости распространения взаимодействий является основным постулатом теории относительности Эйнштейна. Сформулировав свой парадокс, Эйнштейн считал, что доказал неполноту квантовой теории. Но, как выяснилось уже после смерти Эйнштейна, все было не так. То, на что указывал Эйнштейн, не было слабым местом квантовой механики — напротив, это оказалось одним из поразительнейших ее следствий.

Квантовая телепортация может играть значительную роль в будущих системах передачи информации. Если когда-либо будет создан квантовый компьютер, то информация о нем будет храниться в виде набора квантовых состояний. Эффекты ЭПР и квантовой телепортации позволят вести копирование и обмен информацией внутри квантового компьютера. И не только компьютера - можно телепортировать данные в любых цифровых системах. Преимущество телепортационного способа передачи информации заключается в том, что из одной точки пространства в другую переносится точная копия состояния, являющегося элементарной ячейкой памяти. Таким образом, появляется возможность передачи информации без потерь, со 100-процентной эффективностью. Именно перспектива создания принципиально новых систем связи и определяет нынешний научный ажиотаж вокруг квантовой телепортации. Впрочем, что касается инженерных решений этой задачи, то не следует думать, что они будут найдены завтра: технологические проработки только начались

Вообще первые идеи квантовой информатики зародились сразу же после работ Планка, Эйнштейна, де Бройля, Бора и других отцов-основателей квантовой физики. Существенное развитие они получили с созданием квантовой механики в формализмах Шредингера и Гейзенберга. Всевозможные мысленные эксперименты, проводимые с квантовыми объектами, зачастую вели к явным парадоксам. В 1935г. А. Эйнштейн и его сотрудники Б. Подольский и Н. Розен высказали идею, суть которой на примере элементарных частиц сводится к тому, что квантовый объект, в качестве которых могут быть, например, два связанных фотона, в процессе разделения сохраняют некое подобие информационной связи (эффект "перепутывания", "связывания", «сцепления»). При этом квантовое состояние одного, например поляризация или спин, может мгновенно передаваться на другой фотон, который при этом становится аналогом первого, который коллапсирует, исчезает, и наоборот. Расстояние между фотонами может быть любым. Это было названо эффектом, парадоксом или каналом Эйнштейна - Подольского - Розена (ЭПР). Как синоним этого феномена принят также термин "квантовая нелокальность", подчеркивающий мгновенную распределенность, нелокальность в пространстве состояний связанных по квантовым состояниям элементарных частиц. Стоит подробнее пояснить, что подразумевается под словами "сцепленное состояние". Речь идет о системе, состоящей из двух взаимодействующих подсистем (например, частиц), которая в какой-то момент времени распадается на две невзаимодействующие подсистемы. Для такого сцепленного состояния значение какой-либо физической величины (например, проекции спина электрона на какую-то ось или поляризации фотона) не определено ни для одной из подсистем. Однако, если мы произведем измерение над одной из подсистем и определим значение выбранной физической величины, то мы с достоверностью будем знать значение этой физической величины и для другой подсистемы. Примером системы, находящейся в зацепленном состоянии, являются два фотона, появившиеся в результате спонтанного параметрического распада фотона, распространяющегося в среде с квадратичной нелинейностью (например, в кристалле ВаВ2О4). Для зацепленных фотонов нельзя указать, какова поляризация каждого из фотонов пары; если же произвести измерение над одним фотоном и - тем самым - определить его поляризацию, то и поляризация другого фотона также станет определенной. Стоит подчеркнуть, что производя измерение над одной частицей мы в тот же момент определяем и состояние другой частицы, как бы далеко эти частицы друг от друга ни находились. С позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некоей волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается, и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать та же функция. Но состояние каждой отдельной частицы неизвестно в принципе: это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в приемник, регистрирующий её параметры, у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными) соответствующие характеристики, то есть, возможна мгновенная "пересылка" квантового состояния частицы на неограниченно большое расстояние. Телепортации самой частицы, то есть передачи массы при этом не происходит. Похожим образом ведет себя разорвавшийся на две части снаряд: если до взрыва он был неподвижен, суммарный импульс его осколков равен нулю. "Поймав" один осколок после взрыва и измерив его импульс, из закона сохранения импульса можно без измерения мгновенно назвать величину импульса второго осколка, как бы далеко он ни улетел.

Казалось бы, нарушается принцип причинности - следствие и причина не разделены временем, если понимать время как способ организации последовательности событий. Поэтому Эйнштейн и соавторы, оценивали свою чисто теоретическую, но, тем не менее, жестко формализованную, модель как неприложимую к практике, эксперименту. Это состояние противоречия теории и видимой физической реальности длилось около 30 лет, хотя Н.Бор и многие другие физики полагали, что никакой проблемы здесь вообще нет. Действительно, в рамках классического подхода после того, как система распалась на составные части, никакое воздействие на одну из частей не может изменить состояние другой части, если частицы не взаимодействует. И более того, поскольку скорость распространения сигнала не может превышать скорости света, то при определенных условиях - в рамках классического подхода - воздействие на одну часть системы никаким образом не может повлиять на другую часть системы. В математическом виде это утверждение было сформулировано Дж. Беллом в 1964 г. в виде так называемых неравенств Белла, нарушение которых означает невозможность описать систему классическим образом и свидетельствовует в пользу вероятностной трактовки квантовой механики.

В 1993 году группой Ч. Беннета было показано, что в принципе сцепленные частицы могут служить своего рода «транспортом». Посредством присоединения третьей - «информационной» - частицы к одной из сцепленных частиц, можно передавать ее свойства другой, причем даже без измерения этих свойств. Экспериментальная реализация ЭПР-канала была осуществлена работами двух групп исследователей - австрийскими исследователями из университета в Инсбруке, возглавляемыми Антоном Цайлингером, и итальянскими, из университета "La Sapienza" в Риме под руководством Франческо Де Мартини. 21 апреля 2004 года в Австрии осуществлена первая коммерческая транзакция с применением квантовой криптографии. Профессор Антон Цайлингер из Венского университета перевел 3 тысячи евро, полученных от мэра, из ратуши в ближайшее отделение банка по оптическому волокну с кодом, упакованным в квантовое состояние фотона. Это наиболее защищенный из всех возможных способов передачи информации. Ключ кода произведен в банке на кристалле, преобразующем фотоны лазера в пары "спутанных" фотонов. Один фотон каждой пары оставался в банке, другой отсылался в ратушу. Измерив поляризацию фотонов, можно разделить их на две линии, по аналогии с двоичной системой компьютеров, и использовать эти линии в качестве ключа

Опыты группы Цайлингера и Де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике для передачи через световоды состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстояниях до 10 километров. В эксперименте неполяризованный свет, проходящий через кристалл, расщепляется на два поляризованных во взаимно перпендикулярном направлении луча. В оптическом смесителе фотон взаимодействовал с одним из пары связанных фотонов. Между ними в свою очередь возникала квантово-механическая связь, приводящая к поляризации новой пары. Согласно законам квантовой механики фотон не имеет точного значения поляризации, пока она не измерена детектором. Таким образом, измерение преобразует набор всех возможных поляризаций фотона в случайное, но совершенно конкретное значение. Измерение поляризации одного фотона связанной пары приводит к тому, что у второго фотона, как бы далеко он ни находился, мгновенно появляется соответствующая - перпендикулярная ей - поляризация. Если к одному из двух исходных фотонов "подмешать" посторонний фотон, образуется новая пара, новая связанная квантовая система. Измерив её параметры, можно мгновенно передать сколь угодно далеко - телепортировать -направление поляризации уже не исходного, а постороннего фотона. В принципе практически все, что происходит с одним фотоном пары, должно мгновенно влиять на другой, меняя его свойства вполне определенным образом. Однако на практике такая связь достаточно чувствительна ко внешним воздействиям, поэтому необходимо изолировать частицы от внешних влияний. В результате измерения второй фотон первоначальной связанной пары также приобретал некоторую фиксированную поляризацию: копия первоначального состояния "фотона-посланника" передавалась удаленному фотону. Наиболее сложно было доказать, что квантовое состояние действительно телепортировано: для этого необходимо точно знать, как установлены детекторы при измерении общей поляризации, и потребовалось тщательно синхронизовать их.

Суть экспериментов по телепортации такова: допустим имеется частица 1 и запутанная пара частиц 2–3 (типа ЭПР-пары). Объединяя частицы 1 и 2 (измеряя в белловском базисе), то есть переводя пару 1–2 в максимально запутанное состояние типа того, которое было раньше у пары 2–3, состояние 3 становится таким, каким было раньше состояние 1, поскольку общее состояние трех частиц не меняется. Таким образом, частица 1 как бы телепортируется на место частицы 3, другими словами, частица 3 приобретает свойства частицы 1.

Сейчас проводятся все более сложные эксперименты по телепортации. Используется метод, который называется «телепортация запутанности», или «обмен запутанностью». Суть его в том, что две некоррелированные системы можно связать квантовым каналом связи (запутать между собой) при помощи дополнительной вспомогательной системы, состоящей из запутанной пары. Когда эти коррелированные части вспомогательной системы передаются каждой из двух независимых систем, то последние становятся тоже запутанными, хотя раньше классически не взаимодействовали друг с другом. Такие эксперименты тоже были выполнены в 1998 году.

Такой обмен квантовой запутанностью предполагается использовать при ее пересылке в определенное место. Если доступный канал передачи имеет ограниченное качество («зашумленность»), то при прохождении через него запутанных состояний корреляции нарушаются из-за декогеренции. В такой ситуации метод квантового повторителя позволяет разделить квантовый канал на короткие участки, которые очищаются известными методами дистилляции запутанности, а затем объединяются методами обмена запутанностью.

Обмен запутанностью может быть использован и для ряда других практических целей: для построения квантового коммутатора, для увеличения скорости распределения запутанных пар между удаленными пользователями, для построения запутанных состояний, охватывающих большое число частиц, и т. п. Сейчас предложено уже довольно большое количество различных схем применения этого метода.

Так, при построении квантового коммутатора предполагается наличие определенного числа (N) пользователей и центрального коммутатора, с которым все они соединены квантовым каналом связи. Принципиальную схему работы такого коммутатора можно объяснить следующим образом. Пусть у каждого пользователя есть (в простейшем случае) одна максимально запутанная пара. Они отдают одну частицу из своей пары на центральный коммутатор, в котором происходит их объединение. В этом случае все оставшиеся у пользователей частицы оказываются квантово-запутанными. Все N частиц, которые по-прежнему у них остаются, становятся квантово-коррелированными, то есть все пользователи объединены квантовыми корреляциями, они как бы «включены» в единую квантовую сеть и могут «телепатически» общаться друг с другом. Такая схема может использоваться для генерации любых многочастичных запутанных состояний типа «шредингеровских кошек».

Итак, пусть Алисе и Бобу посылаются по одному фотону из пары запутанных фотонов. Алиса имеет у себя частицу (фотон) в (неизвестном ей) состоянии А; фотон из пары и фотон Алисы взаимодействуют ("зацепляются"), Алиса производит измерение и определяет состояние системы из двух фотонов, оказавшейся у нее. Естественно, первоначальное состояние А фотона Алисы при этом разрушается. Однако фотон из пары зацепленных фотонов, оказавшийся у Боба, переходит в состояние А. В принципе, Боб даже не знает при этом, что произошел акт телепортации, поэтому необходимо, чтобы Алиса передала ему информацию об этом обычным способом.

В работах группы ученых из университета в Инсбруке квантовая телепортация осуществлялась несколько более сложным способом - телепортируемое состояние само по себе являлось зацепленным. Генерировалось две пары запутанных фотонов, из каждой пары по одному фотону (0 и 3) направлялось Бобу, и по одному (1 и 2) - Алисе. Алиса производила измерение над фотонами 1 и 2, в результате чего пара фотонов оказывалась в одном из четырех возможных зацепленных состояний (при этом фотоны 0 и 3 также оказывались в определенном запутанном состоянии); результаты измерения сообщались Виктору. Особенность ситуации в том, что фотоны 0 и 3 первоначально не находились в зацепленном состоянии, их зацепленность порождалась действиями Алисы над фотонами 1 и 2. Боб проводил поляризационные измерения над каждым из фотонов 0 и 3 (и также сообщал результаты Виктору). Виктор проводил сравнение результатов измерений и мог фиксировать нарушение неравенства Белла, что и было сделано. Австрийские ученые также провели эксперимент в модифицированном виде. Регистрация фотонов Бобом происходила до того как Алиса производила свое измерение. Оказалось (как и следует ожидать в рамках квантовой механики), что это никак не повлияло на результаты эксперимента. В рамках классического подхода возникает неразрешимый парадокс - позднейшее по времени действие Алисы влияет на результат более раннего действия Боба. Однако с квантово- механической точки зрения парадокса нет: наблюдаемый эффект надо понимать так, что физическая интерпретация результатов Боба зависит от позднейшего решения Алисы.

Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами - электронами, атомами и даже ионами. Это позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более стабильной. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды. После создания надежных методов квантовой телепортации возникнут реальные предпосылки для создания квантовых вычислительных систем. Телепортация обеспечит надежную передачу и хранение информации на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными, и может быть использована для связи между несколькими квантовыми компьютерами. Кроме того, и сами разработанные исследователями методы имеют огромное значение для будущих экспериментов по квантовой механике, для проверки и уточнения целого ряда современных физических теорий. В различных странах обсуждаются программы по применению эффекта квантовой телепортации для создания квантовых оптических компьютеров, где носителями информации будут фотоны. Первые электронные компьютеры потребляли десятки киловатт энергии. Скорость работы квантовых компьютеров и объемы информации будут на десятки порядков превосходить таковые у существующих компьютеров. В будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети. Кстати, квантовые вирусы будут гораздо опаснее нынешних сетевых, так как после своей телепортации они смогут существовать вне компьютера. Квантовые компьютеры будут реализовывать холодные вычисления, работая практически без затрат энергии. Ведь трение, ведущее к бесполезному расходованию энергии, понятие макроскопическое. В квантовом мире главный вредитель - шум, исходящий из некоррелированного взаимодействия объектов друг с другом.

К настоящему времени квантовая информатика обрела все признаки точной науки, включая систему определений, постулатов и строгих теорем. К числу последних относится, в частности, теорема о невозможности клонирования кубита, строго доказанная с применением теории унитарного оператора квантовой эволюции. Т.е. невозможно, получив полную информацию о квантовом объекте А (изначально его состояние неизвестно), создать второй, точно такой же, объект, не разрушив первый. Дело в том, что создание двух кубитов абсолютных копий друг друга приводит к противоречию, которое можно было бы назвать парадоксом квантовых близнецов. Однако и без того ясно, что создание двух электронов в одном и том же квантовом состоянии невозможно в силу ограничения, накладываемого принципом Паули. Парадокс близнецов не возникает, если при клонировании снабжать копии отличительными признаками: пространственно-временными, фазовыми и др. Тогда генерацию лазерного излучения можно понимать как процесс клонирования фотона-затравки, попавшего в среду с оптическим усилением. Если же к квантовому копированию подходить строго, то рождение клона должно сопровождаться уничтожением исходника. А это и есть телепортация.

Сравним, как происходит передача информации по факсу и при квантовой телепортации. При обычной передаче по факсу, оригинал сканируется, из него извлекается часть информации, и он остается более-менее прежним после сканирования. Полученная (отсканированная) информация посылается на принимающее устройство, где она отпечатывается на неком материале (например, бумаге), и получается приблизительная копия исходного оригинала.

При квантовой телепортации два объекта - В и С - сначала соприкасаются, а потом разделяются. Объект В отправляется на передающее устройство, а С - на принимающее. В передающем устройстве объект В «сканируется» вместе с объектом А, который необходимо телепортировать, из них извлекается некоторая информация, а состояние А и В полностью искажается. Отсканированная информация посылается на получающее устройство, где она используется для выбора тех или иных режимов, которые затем применяются к объекту С, чтобы превратить С в точную копию прежнего состояния А.

Квантовая телепортация переносит квантовое состояние системы и ее корреляций в другую систему. Более того, современному значению слова "телепортация" соответствует следующая процедура: объект «дезинтегрируется» в одном месте, а в другом месте возникает его совершенная копия. Объект или его полное описание в ходе телепортации никогда не находится между этими двумя местами. «Дезинтеграция» квантового состояния является необходимым условием согласно теореме о запрете на клонирование.

Таким образом, сейчас телепортация вышла на инженерный уровень, и разрабатываются довольно сложные схемы ее практического применения, проектируются принципиально новые коммуникационные каналы квантовой связи, использующие в качестве рабочего ресурса квантовые корреляции.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.