Квантовая телепортация Дик Боумистер

- Под телепортацией в данном случае понимают следующее. Пусть у одной стороны (назовем ее Алисой) есть квантовый объект в некотором состоянии. Алиса не знает, в каком именно. Но она хочет, чтобы у другой стороны (у Боба) появился объект в точно таком же состоянии. Однако Алиса не может провести измерение и передать результат, чтобы Боб сам приготовил у себя такой же объект. Квантовая механика устроена так, что возможных результатов измерения состояния объекта очень немного (например, для фотона это либо горизонтальная, либо вертикальная поляризация), тогда как самих состояний бесконечно много, континуум. Эти состояния представляют собой некие "смеси" (так называемые суперпозиции) тех немногих, что мы обнаруживаем в результате измерения. Так вот речь идет о том, чтобы у Боба появился квантовый объект, находящийся в точно такой же "смеси состояний", как у Алисы.

Замечательно, что квантовая механика запрещает узнать точные параметры смеси, но позволяет воспроизвести в другом месте такую же смесь, не перетаскивая туда сам объект. Это можно реализовать на практике, что и было впервые проделано в нашем эксперименте в группе Цайлингера - при помощи так называемых сцепленных, или скрещенных состояний (entangled states). (Прим. ред. В русскоязычных статьях используются термины "запутанные состояния" или "перепутанные состояния")

В свою очередь, со сцепленными состояниями связаны по-настоящему глубокие вопросы квантовой теории. Теория предсказывает, что могут существовать системы частиц, которые ведут себя как единый квантовый объект, независимо от того, насколько они разнесены в пространстве. Такая система и называется сцепленным состоянием. Именно об этом писали в своей знаменитой статье Эйнштейн, Подольский и Розен² (и теперь в их честь все, связанное с этим эффектом, часто обозначают сокращением EPR), как о заведомой чепухе, как о том, чего не может быть. Они считали, что предсказание квантовой механикой существования таких объектов доказывает неполноту теории, и вывели отсюда необходимость других параметров, кроме волновой функции, описывающих квантовые состояния. Иначе корреляции между элементами такой системы не могли быть поняты с локальной точки зрения. Только много позже Белл показал, что некоторые измерения могут определить эти корреляции и исключить любые локальные скрытые параметры, и только в начале 1980-х были проведены знаменитые эксперименты, окончательно исключившие возможность локальных скрытых параметров.

Можно дать такую аналогию с поведением сцепленной системы: пусть есть два человека. Вы их разлучаете, и кто-то интервьюирует одного, кто-то - другого. Потом оказывается, что когда первый отвечал "да" или "нет", второй всегда отвечал противоположное. Причем это обстоятельство не зависело от вопроса! Они всегда дают противоположные ответы, не имея связи друг с другом.

В квантовых системах первые эксперименты проводились с отдельными фотонами. Готовили два сцепленных фотона так, что если один поляризован вертикально, то другой - горизонтально.
Тогда на вопрос "горизонтально?" или "вертикально?" они всегда дают противоположные ответы. То есть система из этих двух удаленных друг от друга на произвольное расстояние частиц, находящихся в сцепленном состоянии, обладает некими глобальными свойствами.

- Пусть одну из сцепленных частиц получает Алиса, а другую Боб. Алиса проводит некое специальное измерение над своей исходной частицей и одной из частиц сцепленной пары. Тогда, как теоретически доказано в знаменитой работе Чарли Беннетта с соавторами  ³, вторая сцепленная частица, находящаяся у Боба, должна перейти в такое же состояние, в котором до измерения была Алисина частица. Точнее, Боб может перевести ее в таковое, использовав некоторую классическую информацию, полученную от Алисы. А это и есть телепортация (см. также врезку "Схема квантовой телепортации". - Л.Л.-М.).

- После нашей публикации в "Nature" средства массовой информации активно взялись за эту тему. К нам приезжали буквально сотни журналистов - из CNN, BBC News и др., и все до одного задавали этот вопрос. Мы давали интервью телевидению, а потом, когда смотрели программу, видели, как мы исчезаем в одном месте и появляемся в другом. То есть становились жертвами телевидения в буквальном смысле слова! Так что я лично старался в таких шоу не участвовать.

Однако вопрос-то вполне осмысленный. Может быть, это звучит слишком просто, но мне кажется, что телепортация людей возможна, - ведь мы же знаем, что возможно клонировать человека. Вопрос в другом: если вы чей-то клон - классический клон, - то будете ли вы тем же самым человеком?

- Хорошо, но если вы разговариваете с близнецами (а я знаком с несколькими парами близнецов), вы можете удивиться, до какой степени они бывают похожи во всем. Думаю, что и клоны тоже Конечно, истории оригинала и клона разные, но если клонирование производить очень быстро, мог бы получиться тот же самый человек. Это классический, не квантовый процесс. То есть классической информации, как мне кажется, вполне достаточно, чтобы полностью воспроизвести личность. А доказательство очень простое - мое общение со знакомыми-близнецами (смеется).

Но если классической информации все-таки мало для "спецификации личности" (такова, например, точка зрения Роджера Пенроуза), если существуют некие квантовые характеристики, определяющие сознание, определяющие собственно личность, - в этом случае квантовая телепортация может быть необходимой. Но во всех этих схемах - вот что важно понять! - вы не переносите материю как таковую. Вы передаете только состояние, в котором она находится. Причем при квантовой телепортации исходное состояние разрушается. Это очень существенно, правда?

- О, да! В общем, то, что мы имеем сегодня в этой области, еще бесконечно далеко от того, чтобы делать прогнозы о телепортации больших объектов. Сейчас пытаются сделать такие эксперименты с атомами, но это несравненно сложнее телепортации фотонов. Ситуация резко усложняется, если Алиса хочет телепортировать не фотон, а атом или молекулу, где электроны находятся в некоторой квантовой суперпозиции. В принципе возможно (хотя на практике крайне трудно) сначала перевести молекулу в состояние с минимальной энергией (ground state), заставив ее излучить определенную последовательность фотонов. Эти фотоны окажутся в некоей суперпозиции, содержащей всю "квантовую" информацию, которая присутствовала в молекуле. Затем вы телепортируете фотонные состояния при помощи связанных пар. Кроме того, у вас есть классически измеренная информация о молекуле. Вы просите Боба приготовить свою молекулу в состоянии с минимальной энергией, затем происходит взаимодействие этой молекулы с телепортированными фотонами в нужном порядке, и у Боба появляется такая же молекула в том же квантовом состоянии, что у Алисы. Таким образом вы передаете, фактически со скоростью света, квантовое состояние молекулы некоего материала. Это не клонирование - квантовое состояние на передающей стороне разрушается.

Идут также серьезные дискуссии о том, почему законы квантовой механики допускают обращение времени, тогда как для классического объекта время течет в определенном направлении. Проблема в том, чтобы понять не столько квантовый, сколько классический мир. Даже само понятие жизни, определение жизни требует необратимости, ведь жизнь - это реакция на что-то, произошедшее в прошлом. Вот почему может оказаться, что личность определяется как раз на классическом уровне. Многие рассматривают "классическое" как аналог "старомодного", но я считаю, что это очень глубокий вопрос: что делает объект классическим?

- Роджер Пенроуз недавно предложил очень необычный эксперимент, который помог бы понять эту границу, и мы вместе с одним из наших студентов обдумываем, как его реализовать.

Схема квантовой телепортации

Алиса комбинирует состояние частицы, которую она хочет "телепортировать", с состоянием одной из частиц скрещенной пары (в КМ эта операция называется измерением Белла - Bell-state measurement, BSM), вследствие чего они станут сцепленными, между ними установится фиксированная связь. Но одна из них уже скрещена с частицей, которая находится у Боба. Поэтому результатом измерения будет фиксированная связь между Алисиной частицей и частицей, находящейся у Боба. Результат измерения, и это очень важно, принимает лишь дискретный набор значений. В данном случае существуют ровно четыре возможных результата Алисиного измерения - так называемые белловские связанные состояния. Определив номер полученного состояния - 1, 2, 3 или 4, Алиса по классическому каналу посылает эту информацию Бобу, после чего Боб должен сделать одну из четырех возможных операций над своей частицей. В результате он получает частицу в точно таком же состоянии, в котором находилась частица 1, изначально принадлежавшая Алисе.