В июне 2013 года группе физиков под руководством Юджина Ползика удалось провести эксперимент по детерминистской телепортации коллективного спина 10¹² атомов цезия на полметра. Эта работа попала на обложку Nature Physics. Почему это действительно важный результат, в чем заключались экспериментальные сложности и, наконец, что такое «детерминистская квантовая телепортация» «Ленте.ру» рассказал сам профессор и член исполнительного комитета Российского квантового центра (РКЦ) Юджин Ползик.

«Лента.ру»: ─ Что такое «квантовая телепортация»?

─ Чтобы понять, чем квантовая телепортация отличается от того, что мы видим, например, в сериале Star Trek, нужно понимать одну простую вещь. Наш мир устроен таким образом, что, если мы хотим что-то узнать о чем угодно, то в мельчайших деталях мы всегда будем делать ошибки. Если мы, допустим, возьмем обычный атом, то одновременно измерить скорость движения и позицию электронов в нем не удастся (это то, что называется принципом неопределенности Гейзенберга). То есть нельзя представить результат в виде последовательности нулей и единиц.

В квантовой механике, однако, уместно задать такой вопрос: даже если результат нельзя записать, то, может быть, его все равно можно переслать? Этот процесс пересылки информации за пределами точности, допустимой классическими измерениями, и называется квантовой телепортацией.

─ Когда впервые появилась квантовая телепортация?

Рис. 1. Юджин Ползик, Профессор института
Нильса Бора, Университет Копенгагена (Дания),
член исполнительного комитета Российского
квантового центра.

─ B 1993 году шесть физиков — Беннет, Броссар и другие — написали в Physical Review Letters статью (pdf), в которой и придумали замечательную терминологию для квантовой телепортации. Замечательную еще и потому, что на публику эта терминология с тех пор оказывает исключительно положительное влияние. В их работе протокол передачи квантовой информации был описан чисто теоретически.

В 1997 году была осуществлена первая квантовая телепортация фотонов (на самом деле экспериментов было два — группы Заиллингера и Де Mартини; Заиллингера просто больше цитируют). В работе они телепортировали поляризацию фотонов — направление этой поляризации суть квантовая величина, то есть такая величина, которая принимает различные значения с разной вероятностью. Как оказалось, измерить эту величину нельзя, а вот телепортировать можно.

Тут надо вот что учесть: в экспериментах Заиллингера и Де Mартини телепортация была вероятностной, то есть работала с некоторой вероятностью успеха. Им удалось достичь вероятности не меньше 67 (2/3) процентов — то, что по-русски уместно назвать классическим пределом.

Телепортация, о которой идет речь, получила название вероятностной. В 1998 году мы в Калифорнийском технологическом институте сделали так называемую детерминистскую телепортацию. У нас телепортировались фаза и амплитуда светового импульса. Они, как говорят физики, так же как скорость и местоположение электрона, являются «некоммутирующими переменными», поэтому подчиняются уже упоминавшемуся принципу Гейзенберга. То есть не допускают одновременное измерение.

Атом можно представить себе в виде маленького магнита. Направление этого магнита и есть направление спина. Управлять ориентацией такого «магнита» можно с помощью магнитного поля и света. У фотонов — частиц света — тоже есть спин, который еще называют поляризацией.

─ В чем разница между вероятностной и детерминистской телепортациями?

─ Чтобы ее объяснить, сперва надо чуть подробнее поговорить про телепортацию. Представьте, что в пунктах A и B расположены атомы, для удобства — по одной штуке. Мы хотим телепортировать, скажем, спин атома из A в B, то есть привести атом в пункте B в такое же квантовое состояние, что и атом A. Как я говорил уже, для этого одного классического канала связи недостаточно, поэтому потребуются два канала — один классический, другой квантовый. В качестве переносчика квантовой информации у нас выступают кванты света.

Сначала мы пропускаем свет через атом B. Происходит процесс запутывания, в результате чего между светом и спином атома устанавливается связь. Когда свет приходит в А, то можно считать, что между двумя пунктами установился квантовый канал связи. Свет, проходя через A, считывает информацию с атома и после этого свет ловится детекторами. Именно этот момент можно считать моментом передачи информации по квантовому каналу.

Теперь остается передать результат измерений по классическому каналу в B, чтобы там, на основе этих данных, выполнили некоторые преобразования над спином атома (например, поменяли магнитное поле). В результате, в точке B атом получает спиновое состояние атома A. Телепортация завершена.

В реальности, однако, фотоны, путешествуя по квантовому каналу, теряются (например, если этот канал — обычное оптоволокно). Главное отличие между вероятностной и детерминистской телепортациями как раз и заключается в отношении к этим потерям. Вероятностной все равно, сколько там потерялось — если из миллиона фотонов хотя бы один дошел, то уже хорошо. В этом смысле, конечно, она больше подходит для пересылки фотонов на большие расстояния (в настоящее время рекорд составляет 143 километра — прим. «Ленты.ру»). Детерминистская же телепортация к потерям относится хуже — вообще говоря, чем выше потери, тем хуже качество телепортации, то есть на принимающем конце провода получается не совсем исходное квантовое состояние — но зато она работает каждый раз, когда, если сказать грубо, нажимаешь на кнопку.

Запутанное состояние света и атомов по сути представляет собой запутанное состояние их спинов. Если спины, скажем, атома и фотона запутаны, то измерения их параметров, как говорят физики, коррелируют. Это означает, что, например, если измерение спина фотона показало, что он направлен вверх, то спин атома будет направлен вниз; если спин фотона оказался направлен вправо, то спин атома будет направлен влево и так далее. Фокус заключается в том, что до измерения ни у фотона, ни у атома определенного направления спина нет. Как получается, что, несмотря на это, они коррелируют? Тут как раз и должна начать «кружиться голова от квантовой механики», как говорил Нильс Бор (Юджин Ползик).

─ И как у них различаются сферы применения?

─ Вероятностная, как я говорил, подходит для передачи данных на большие расстояния. Скажем, если в будущем мы захотим построить квантовый интернет, то нам потребуется именно телепортация такого типа. Что касается детерминистской, то она может быть полезна для телепортации каких-нибудь процессов.

Тут сразу надо пояснить: сейчас такой прямо уж четкой границы между этими двумя видами телепортации нет. Например, в Российском квантовом центре (и не только в нем), разрабатываются «гибридные» системы квантовых коммуникаций, где частично используется вероятностный, а частично — детерминистский подходы.

В нашей же работе телепортация процесса была такой, знаете, стробоскопической — речь о непрерывной телепортации пока не идет.

─ То есть это дискретный процесс?

─ Да. На самом деле телепортация состояния, она, естественно, может произойти только один раз. Одна из вещей, которые квантовая механика запрещает, — это клонирование состояний. То есть если вы телепортировали что-то, то вы это уничтожили.

─ Расскажите о том, что удалось сделать вашей группе.

─ У нас был ансамбль атомов цезия, и телепортировали мы коллективный спин системы. Газ у нас находился под воздействием лазера и магнитного поля, поэтому спины атомов были ориентированы примерно одинаково. Неподготовленный читатель может это представлять себе так — наш коллектив есть большая магнитная стрелка.

У стрелки есть неопределенность направления (это и значит, что спины ориентированы «примерно» одинаково), та самая гейзенбергова. Измерить направление этой неопределенности точнее невозможно, а вот телепортировать положение — вполне. Величина этой неопределенности составляет единицу на квадратный корень из числа атомов.

Тут важно сделать вот какое отступление. Моя любимая система — это газ атомов при комнатной температуре. Проблема с этой системой такая: при комнатных температурах квантовые состояния быстро разваливаются. У нас же, однако, эти спиновые состояния живут очень долго. И удалось этого добиться благодаря сотрудничеству с учеными из Санкт-Петербурга.

Они разработали покрытия, которые по-научному называются алкеновыми. По сути это что-то очень похожее на парафин. Если напылить такое покрытие на внутреннюю часть стеклянной ячейки с газом, то молекулы газа летают (со скоростью 200 метров в секунду) и сталкиваются со стенками, но ничего с их спином не происходит. Порядка миллиона столкновений они так могут выдержать. У меня такое визуальное представление этого процесса: покрытие — это как целый лес лиан, очень больших, а спину для того, чтобы испортиться, нужно свой спин кому-то передать. А там это все такое большое и связанное, что передавать некому, поэтому он туда заходит, побарахтается и вылетает обратно, и ничего с ним не происходит. С этими покрытиями мы начали работать лет 10 назад. Сейчас их усовершенствовали и доказали, что с ними можно работать и в квантовой области.

Так вот, вернемся к нашим атомам цезия. Они были при комнатной температуре (это хорошо еще и потому, что алкеновые покрытия высоких температур не выдерживают, а чтобы получить газ, обычно надо что-то испарить, то есть нагреть).

─ Вы телепортировали спин на полметра. Такое небольшое расстояние — принципиальное ограничение?

─ Нет, конечно. Как я говорил, детерминистская телепортация не терпит потерь, поэтому лазерные импульсы у нас шли по открытому пространству — если бы мы загоняли их обратно в оптоволокно, то неизменно были бы какие-то потери. Вообще говоря, если там футуризмом заниматься, то вполне можно таким же лучом стрелять в спутник, который будет переправлять сигнал куда надо.

─ Вы говорили, что в планах у вас непрерывная телепортация?

─ Да. Только тут непрерывность следует понимать в нескольких смыслах. С одной стороны у нас в работе 1012 атомов, поэтому дискретность направления коллективного спина настолько крошечная, что можно описывать спин непрерывными переменными. В этом смысле и наша телепортация была непрерывной.

С другой стороны, если процесс меняется во времени, то можно говорить о его непрерывности во времени. Значит, я могу делать следующее. У этого процесса есть, допустим, какая-то временная постоянная — допустим, он происходит за миллисекунды, и вот я взял и разбил его на микросекунды, и «бум» после первой микросекунды телепортировал; потом придется вернуть в начальное состояние.

Каждая такая телепортация, конечно, уничтожает телепортируемое состояние, однако внешнее возбуждение, которое этот процесс вызывает, не трогает. Поэтому по сути мы телепортируем некий интеграл. Этот интеграл мы можем «развернуть» и узнать что-то о внешних возбуждениях. Теоретическая работа, в которой все это предлагается, только что вышла в Physical Review Letters.

На самом деле такое телепортирование туда-сюда можно использовать для очень глубоких вещей. У меня здесь чего-то происходит, и здесь чего-то происходит, и с помощью телепортационного канала я могу симулировать взаимодействие — как будто бы эти два спина, которые никогда между собой не взаимодействовали, в действительности взаимодействуют. То есть такая квантовая симуляция.

А квантовая симуляция — это то, отчего все сейчас прыгают. Вместо того чтобы факторизовать миллионные цифры, можно просто симулировать. Вспомнить тот же D-wave.

─ Детерминистская телепортация может использоваться в квантовых компьютерах?

Может, но тогда необходимо будет телепортировать кубиты. Тут уже потребуются всякие алгоритмы коррекции ошибок. А их сейчас только начинают разрабатывать.

Беседовал: Андрей Коняев.