Квантовая телепортация представляет собой процесс передачи состояния любой квантовой системы на весьма значительное расстояние посредством использования пространственно разнесённой запутанной пары и канала классической связи. При этом самое исходное состояние разрушается в точке отправления при измерении, а затем воспроизводится в точке получения. В последнее время стало известно о государственной программе «Национальная технологическая инициатива», разработанной Агентством стратегических инициатив по поручению Президента Российской Федерации В.В. Путина. Данная прорывная программа предусматривает внедрение ряда абсолютно передовых технологий, включая нейроинтерфейсы, квантовые вычисления и телепортацию, в период с 2025 по 2035 год.
Следует отметить, что принципы квантовой механики, описывающие поведение микромира, существенно отличаются от представлений классической механики, которая оперирует понятиями макроскопического мира.
Поиграли
Если положение и импульс классической частицы могут быть одновременно измерены, то в квантовом случае можно узнать лишь вероятность нахождения частицы в том или ином состоянии. Более того, квантовая теория утверждает: когда две системы запутаны (об этом — ниже), измерение состояния одной из них мгновенно сказывается на другой.
Альберт Эйнштейн был не согласен с вероятностной интерпретацией квантовой механики. Именно в связи с этим он говорил, что «бог не играет в кости» (на это датский физик Нильс Бор позднее ответил, что не Эйнштейну решать, чем заниматься богу). Немецкий ученый не принимал неопределенности, свойственной микромиру, и считал верным классический детерминизм. Создатель общей теории относительности полагал, что при описании микромира квантовая механика не учитывает некоторых скрытых переменных, без которых сама квантовая теория является неполной.
За 90 лет существования понятия квантовой механики (с 1920-х годов) исследователям удалось показать, что Эйнштейн ошибался: в квантовой механике, скорее всего, нет скрытых параметров. Это означает, что ее теоретические выводы имеют прямое отношение к действительности, которая, в свою очередь, не зависит от ее восприятия человеком. У этой теории возникают далеко идущие практические следствия. Связаны они прежде всего с квантовыми компьютерами и квантовой криптографией.
Посчитали
В обычном компьютере информация представлена с помощью битов, которые могут принимать только одно из двух значений: 0 или 1. В квантовом компьютере понятие (классического) бита обобщается до квантового бита (кубита), и кроме одного из двух значений — 0 или 1 — кубит может принимать бесконечное число значений, являющееся квантовой суперпозицией базисных состояний 0 и 1.
В качестве таких состояний может быть использована пара значений какой-нибудь квантовой характеристики частицы (атома, электрона или фотона) — например, ориентация спина. Считается, что массовое производство таких компьютеров приведет к существенному прогрессу в вычислениях; квантовые устройства будут на порядки превосходить возможности современных вычислительных систем.
Для запоминающих устройств (физических носителей) могут использоваться, например, специальные сверхпроводящие твердотельные материалы, частицы в которых могут быть приведены в особое возбужденное (квантовое) состояние, идентифицируемое как состояние кубита. Управлять таким материалом (и квантовыми состояниями) можно с помощью, например, лазерного излучения.
«Жуткое дальнодействие» между Бобом и Алисой Изображение: NASA/JPL-Caltech
Примерная схема телепортации такова.
Предположим, что у Алисы есть частица в определенном квантовом состоянии (частица 1) и Алиса хочет, чтобы у живущего далеко от нее Боба была такая же частица. Алиса не может произвести такие измерения, которые позволили бы Бобу реконструировать квантовую систему Алисы. Для осуществления задуманного Алисе и Бобу необходимо обзавестись парой сцепленных частиц (частицы 2 и 3). Алиса проводит сцепление исходной частицы 1 и находящейся в ее распоряжении частицы 2. При этом частица 2 вначале переходит в состояние, «противоположное» состоянию частицы 1, а затем обе частицы оказываются в одном из четырех возможных состояний (состояний Белла). Алиса определяет, какое состояние было реализовано, путем измерения, результаты которого она посылает Бобу. При сцеплении частица 3, находящаяся у Боба, сначала переходит в исходное состояние частицы 1 (ведь она скреплена с частицей 2), а затем в то состояние, в котором частица 1 оказалась после сцепления. Боб, получив от Алисы результаты ее измерения и выяснив, в каком состоянии Белла находится его частица, может путем обратного преобразования перевести частицу 3 в состояние, в котором находилась частица 1 до телепортации. Важно, что во время телепортации Алиса разрушает состояние первой частицы, а Боб это состояние получает; при этом ни Боб, ни Алиса не получают никакой информации о состоянии частицы 1.
Основные затруднения в использовании квантовых компьютеров сводятся к их высокой чувствительности к влиянию окружающей среды, которое может необратимым образом изменять квантовые состояния. Поэтому перед началом работы квантовые системы настраиваются (калибруются) продолжительное время; специалистам требуется учесть в настройке десятки параметров. Кроме того, работа квантового компьютера предполагает использование специальных квантовых алгоритмов, адаптированных для конкретного устройства.
Запутали
Квантовая криптография представляет собой метод шифрования информации (ее защиты) при помощи квантовой запутанности и специальных квантовых протоколов. В перспективе это должно привести к созданию рабочих невзламываемых алгоритмов генерации случайных чисел и даже квантовых денег.
Квантовой запутанностью называется явление, при котором квантовые состояния частиц (например, спин электрона или поляризация фотона), разнесенных на расстояние друг от друга, не могут быть описаны взаимонезависимо. Процедура измерения состояния одной частицы приводит к изменению состояния другой — таким образом состояние одной частицы может быть передано другой даже в том случае, если она удалена от нее, — именно в этом и заключается квантовая телепортация и одно из главных отличий микромира от макромира, с которым был не согласен Эйнштейн.
В типичном эксперименте по квантовой запутанности разнесенные на расстояние взаимодействующие агенты — Алиса и Боб — обладают каждый одной частицей (фотонов или электронов) из пары запутанных. Измерение частицы одним из агентов — например, Алисой — коррелирует с состоянием другой, хотя Алиса и Боб заранее не знают о манипуляциях друг друга.
Это означает, что частицы каким-то образом сохраняют информацию друг о друге, а не обмениваются ею, скажем, со световой скоростью при помощи какого-либо известного науке фундаментального взаимодействия. Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием». Запутанные частицы нарушают принцип локальности, согласно которому на состояние объекта может оказывать влияние только его близкое окружение, поэтому считается, что для квантовой механики локальный реализм (принцип локальности) не выполняется.
Построили
В настоящее время квантовые исследования переходят из теоретического русла в практическое. Рекорды квантовой телепортации составляют 102 километра (по оптоволокну) и 143 километра (по воздуху). Китай заявил о намерении осуществить квантовую телепортацию между Землей и космосом на расстояние 1,2 тысячи километров. Все это позволит иметь заинтересованным сторонам надежный и защищенный канал связи.
Устройства компании D-Wave Systems Фото: dwavesys.com
Сегодня все больше крупных компаний заинтересованы в разработке и покупке квантовых компьютеров. Самое популярное устройство такого рода — D-Wave 2X, созданное канадской компанией D-Wave Systems. В настоящее время D-Wave Systems является единственной в мире фирмой, создающей и продающей свои квантовые компьютеры. Интерес к D-Wave 2X проявили Google и НАСА.
Как показали тесты со специализированным программным обеспечением, проведенные D-Wave Systems, устройство до 600 раз быстрее решает задачи оптимизации по сравнению с классическим компьютером (без учета времени ввода и вывода данных). Если учитывать загрузку и выгрузку информации, D-Wave 2X обгоняет обычный компьютер в 15 раз. D-Wave 2X нередко критикуют те, кто имеет гораздо более скромные результаты.
Уже создан прототип квантового компьютера, который допускает масштабирование при реализации квантового алгоритма Шора, предлагающего способ разложения натурального числа на простые множители. Именно он используется при считывании информации с банковских пластиковых карточек и в других конфиденциальных операциях. Максимальная безопасность процедуры позволит сохранить конфиденциальность и сэкономить большое количество денег — тем, у кого они есть, и тем, кто планирует вкладывать их в исследования ученых.
