Квантовая телепортация

А. Шишлова (о материалам журналов "Nature" и "Science news")
Прислал Ralph Mirebs

В тонких физических экспериментах удалось, кажется, сделать то, что самые смелые фантасты считали не более чем нереалистичной фантастикой: исследуя одну из связанных когда-то частиц, можно мгновенно (со сверхсветовой скоростью!) с любых расстояний получать информацию о состоянии другой частицы.

Герои научно-фантастических фильмов и романов давно освоили телепортацию - удобный способ мгновенного перемещения во времени и в пространстве. Что же касается реальной жизни, то здесь подобное продолжает оставаться лишь мечтой.

Тем не менее еще в 1935 году Альберт Эйнштейн совместно со своими коллегами Б. Подольским и Н. Розеном предложил эксперимент по телепортации если не вещества, то информации. Этот способ сверхсветовой связи получил название "Парадокс ЭПР".

Суть парадокса состоит в следующем. Есть две частицы, которые какое-то время взаимодействуют, образуя единую систему. 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 ее 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, 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 и измерив его импульс, можно мгновенно назвать величину импульса второго осколка, как бы далеко он ни улетел.

Сегодня по крайней мере две научные группы - австрийские исследователи из университета в Инсбруке и итальянские из университета "La Sapienza" в Риме - утверждают, что им удалось осуществить телепортацию характеристик фотона в лабораторных условиях.

Эксперименты в Инсбруке передавали "послания" в виде поляризации фотона ультрафиолетового излучения. Этот фотон взаимодействовал в оптическом смесителе с одним из пары связанных фотонов. Между ними в свою очередь возникала квантово-механическая связь, приводящая к поляризации новой пары. Таким образом экспериментаторы добились очень интересного результата: они научились связывать фотоны, не имеющие общего происхождения. Это открывает возможность для проведения целого класса принципиально новых экспериментов.

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.

Вместо того чтобы использовать отдельный "фотон-посланник", итальянские исследователи предложили рассматривать одновременно две характеристики каждой связанной частицы: поляризацию и направление движения. Это позволяет теоретически описывать их как отдельные частицы и в то же самое время, проводя измерения только с первой частицей, получать характеристики второй, не трогая ее, - осуществлять телепортацию.

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 (см. "Наука и жизнь" № 6, 1996 г.). 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.

Схема эксперимента по квантовой телепортации, проведенного в лаборатории Инсбрука.

1. Детекторы
2. Линейная поляризация
3. Неполяризованный свет
4. Кристалл
5. Ультрафиолет

Неполяризованный свет, проходящий через кристалл, расщепляется на два поляризованных во взаимно перпендикулярном направлении луча. Это означает, что каждый фотон преобразуется в пару связанных фотонов, свойства которых находятся в определенных соотношениях друг с другом.

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 ее 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.