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?
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.
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.