Цифровой журнал «Компьютерра» № 18

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.