Квантовая телепортация: на пути к квантовому компьютеру

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 28 мая 2010 года

Физики из Научно-технического университета Китая и пекинского Университета Цинхуа провели успешный эксперимент по квантовой телепортации фотонов в свободном пространстве на расстояние более 16 километров. 16 мая 2010 года сообщение об этом знаменательном событии появилось в научном журнале Nature Photonics. Впрочем, эта новость вряд ли о чём-то скажет людям, не знакомым хотя бы с основами квантовой физики, а слово "телепортация", известное многим лишь по научной фантастике, вообще может ввести в заблуждение относительно реального смысла проведённого опыта. Между тем, это большое событие для современной науки, а чтобы понять его значение, придётся немножко разобраться в основах квантовой физики. Далее мы попробуем объяснить их "на пальцах".

Начнём издалека. Как известно, атомы состоят из более простых субатомных частиц – положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, образующих ядро, и отрицательно заряженных электронов, которые составляют электронное облако, окружающее ядро. По величине спина, то есть момента импульса, или, грубо говоря, момента вращения, элементарные частицы делятся на два класса: фермионы с полуцелым спином – это как раз упомянутые электроны, протоны, нейтроны и нейтрино, – и бозоны с целым спином – это фотоны, мезоны и глюон.

Для наблюдения и экспериментов в микромире особенно удобен фотон – безмассовая частица с нулевым зарядом, квант электромагнитного излучения ("световой квант", по определению Эйнштейна), существующий только в процессе движения со скоростью света. Фотон одновременно демонстрирует свойства и частицы, и волны, то есть корпускулярно-волновой дуализм. Свойства фотона (света) описываются и как свойства распространения волны, и как свойства частицы при взаимодействии с веществом. Универсальность наглядно демонстрируемого фотоном корпускулярно-волнового дуализма для любых частиц – один из базовых постулатов квантовой механики.

В отличие от "большого мира", в микромире объекты могут находиться в так называемой суперпозиции, то есть одновременно пребывать в неких промежуточных, альтернативных и взаимоисключающих с точки зрения классической механики состояниях. Если прибегнуть к привычному для компьютерщиков двоичному коду, то некая частица может одновременно означать и ноль, и единицу, а вероятность того, какое значение она примет, описывается волновой функцией. Пока мы не измерили это значение, частица пребывает именно в этом вероятностном состоянии, а измерив, мы немедленно изменяем частицу и получаем на выходе одно из вероятных значений.

Ещё одно важнейшее явление микромира – так называемая квантовая сцепленность или запутанность. Смысл этого явления заключается в том, что квантовые состояния двух или более частиц может быть связаны друг с другом, даже если эти частицы разнесены в пространстве. Квантовая сцепленность объясняет самые различные природные процессы, например, фотосинтез в растениях, при котором энергия солнечного света мгновенно "телепортируется" от "принимающих" молекул к молекулам, ответственным за электрохимические преобразования. Причём передаётся именно некоторое вероятностное состояние частицы, а не какая-то информация о нём, ведь частица находится в суперпозиции.

Здесь мы, наконец, приближаемся к сути явления квантовой телепортации. Сцепленность можно задать искусственно, поместив несколько частиц в одинаковые условия и воздействуя на них, например, лучом лазера при температуре, максимально близкой к абсолютному нулю, остановив хаотическое движение. В результате, если измерить состояние одной частицы, можно мгновенно определить и состояние всех, запутанных с ней. При этом исходная частица, состояние которой перенесется на новую, изменится сама, поскольку двух частиц с одинаковыми квантовыми состояниями быть не может: согласно теореме о запрете клонирования, невозможно создать идеальную копию произвольного неизвестного квантового состояния. То есть уничтожение начального квантового состояния – это необходимое условие телепортации.

Первый успешный эксперимент по телепортации поляризационного состояния фотона провели в 1997 году группы физиков из австрийского Университета Инсбрука и Университета Рима. В 2004 году учёным из того же Университета Инсбрука и американского Национального института стандартов и технологий удалось телепортировать уже квантовые состояния атома (точнее, ионов атома кальция и бериллия).

Для передачи состояний использовалась классическая схема с тремя частицами А, В и C. Выглядит она так. У отправителя имеется частица A, квантовое состояние которой нужно передать получателю – точнее, нужно сделать так, чтобы в распоряжении получателя оказалась частица B в том же самом квантовом состоянии. Сначала создаётся запутанная пара С и B, квантовые состояния которых связаны, но не известны. У отправителя остаётся частица С, а B будет доставлена получателю. Отправитель производит измерение системы AC, получив одно из четырёх возможных значений и разрушив изначальное состояние A. Полученный результат измерений пересылается по обычным каналам связи получателю, который на его основании определяет, какое преобразование нужно применить к частице B, чтобы восстановить исходное состояние A. Таким образом, информация, полученная по обычным каналам, позволяет установить волновую функцию, "телепортированную" с С на B, которые составляют сцепленную пару.

Эти опыты были призваны экспериментально подтвердить саму возможность квантовой телепортации, а речь о расстоянии зашла в 2005 году, когда учёным из Китайского университета науки и технологий удалось передать квантовое состояние частиц на расстояние семи километров по открытому воздуху. При этом были использованы лазерные лучи диаметром 12 см и телескопы. Сейчас же китайцы побили собственный рекорд, телепортировав квантовое состояние фотонов на расстояние 16 километров. Поистине грандиозное достижение!

Каково же значение всех этих экспериментов и их практический смысл? Одно из напрашивающихся применений – квантовая криптография, позволяющая создавать системы связи с абсолютной защитой от прослушивания и перехвата информации. Данные шифруются традиционными способами, а сведения о цифровых ключах передаются посредством телепортации кубитов ("квантовых битов"), закодированных в качестве одной из характеристик (например, спина или поляризации) квантового состояния фотона. При попытке перехвата такие ключи, согласно законам квантовой механики, просто изменяются – то есть, фактически, уничтожаются без возможности восстановления.

Коммерческие системы доставки цифровых ключей предлагаются на рынке уже в течение пяти-шести лет (см., например, этот документ, PDF). Главное ограничение таких систем – необходимость в прямом оптоволоконном канале между отправителем и получателем, причём длина такого канала не должна превышать 100-140 километров.

Куда более отдалённая, но гораздо более впечатляющая перспектива использования явления квантовой телепортации – возможность создания квантовых компьютеров, по сравнению с которыми современные суперкомпьютеры будут казаться школьными калькуляторами.

Данные в таком компьютере будут храниться на атомном уровне, а операции будут производиться не с битами, а с кубитами. Кубит кодируется в квантовом состоянии частицы, а как мы уже говорили, в микромире существует явление суперпозиции, поэтому каждый элемент одновременно кодирует и 0 и 1. Два кубита – это уже четыре числа 00, 01, 10, 11, а n кубитов – это 2 в степени n.

Поскольку операции вычисления в квантовом компьютере это фактически телепортации квантовых состояний частиц, то они могут одномоментно производиться с гигантскими массивами данных. В качестве иллюстрации квантового параллелизма часто приводят такой пример: если обычный компьютер вычисляет значение функцию f от одного x, то квантовый сразу выдаёт все значения функции ото всех x. Впечатляет?

К сожалению, современная физика не видит даже теоретических предпосылок для реализации телепортации материи, которую так любят описывать фантасты и которую мы постоянно видим в самых разных фантастических фильмах. Проблема в том, что для этого необходимо передать сразу все квантовые параметры частиц, а как только мы начнём изменять один из них, мы сразу безвозвратно поменяем и все остальные. Впрочем, законы квантовой физики довольно долго многим казались бредом сумасшедшего, так что вполне вероятно, что со временем найдётся решение и этой задачи.