Квантовая телепортация

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 111↑

21.05.2002 Хронометраж

1:15:00

Что такое квантовая телепортация и возможно ли ее применить для мгновенного переноса макрообъектов? Не противоречит ли квантовая телепортация принципам релятивистской причинности? О связях классической и квантовой реальности — профессор Римского Университета Луиджи Аккарди и доктор физико-математический наук Игорь Волович.

План дискуссии:

• Определение понятия квантовой телепортации.

• Теоретические и экспериментальные аспекты квантовой телепортации.

• Дискуссия между Эйнштейном и Бором о полноте квантовой теории. Квантовая (неколмогоровская) вероятность.

• Использование для объяснения квантовой телепортации фундаментальных результатов квантовой теории — эффект Эйнштейна-Подольского-Розена, свойства зацепленных (entangled) состояний в пространстве-времени, редукция квантового состояния после измерения, локальность релятивистской квантовой теории поля.

• Принципиальное различие классической и квантовой реальности. Образ элементарной частицы как хамелеона, меняющего цвет в зависимости от окружения.

• Возможные применения и связь квантовой телепортации с другими известными разделами квантовой теории информации — квантовыми компьютерами и квантовой криптографией.

• Научные исследования, ведущиеся в этой области, и дискуссии.

Л. Аккарди — один из наиболее известных итальянских ученых, создатель квантовой теории вероятностей, руководит рядом европейских научных проектов, включающих, в частности, теоретическое и экспериментальное исследование квантовой телепортации. Л. Аккарди разработал новый подход к теории Белла квантовых корреляций, при котором неравенства Белла нарушаются не только для квантовых, но и для макроскопических объектов. В принципе, это открывает возможность для телепортации макроскопических объектов.

И. Волович — известный российский ученый, специалист в области математической физики и р-адического анализа, исследовал роль пространственно-временных параметров в описании зацепленных состояний, что привело к новому подходу к телепортации квантовых состояний.

Обзор темы

Квантовая телепортация — одно из наиболее интересных и парадоксальных проявлений квантовой природы материи, вызывающее в последние годы огромный интерес специалистов и широкой публики. Имеется большое число теоретических и экспериментальных работ, исследующих различные аспекты квантовой телепортации.

Термин телепортация взят из научной фантастики, однако в настоящее время широко используется в научной литературе. Квантовая телепортация означает мгновенный перенос квантового состояния из одной точки пространства в другую, удаленную на большое расстояние. Впервые эффект квантовой телепортации был предложен в работе C. Bennett, G. Brassard с соавторами. Недавно существование квантовой телепортации было установлено в ряде экспериментов в лабораториях Европы и США.

Первые идеи квантовой информатики зародились сразу же после работ Планка, Эйнштейна, де Бройля, Бора и других отцов-основателей квантовой физики. Существенное развитие они получили с созданием квантовой механики в представлениях Шредингера и Гейзенберга. Всевозможные мысленные эксперименты, проводимые с квантовыми объектами, зачастую вели к явным парадоксам.

В 1935 г. А. Эйнштейн и его сотрудники Б. Подольский и Н. Розен высказали идею, суть которой на примере элементарных частиц сводится к тому, что квантовый объект, в качестве которых могут быть, например, два связанных фотона, в процессе разделения сохраняют некое подобие информационной связи (эффект «спутывания», «связывания» (entangled)). При этом квантовое состояние одного, например поляризация или спин, может мгновенно время передаваться на другой фотон, который при этом становится аналогом первого, который коллапсирует, исчезает, и наоборот. Расстояние между фотонами может быть любым. Это было названо эффектом, парадоксом или каналом Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР). Как синоним этого феномена принят также термин «Квантовая Нелокальность» (Quantum NonLocality), подчеркивающий мгновенную распределенность, нелокальность в пространстве состояний связанных по квантовым состояниям элементарных частиц.

Стоит подробнее пояснить, что подразумевается под словами «зацепленное состояние». Речь идет о системе, состоящей из двух взаимодействующих подсистем (например, частиц), которая в какой-то момент времени распадается на две невзаимодействующие подсистемы. Для такого зацепленного состояния значение какой-либо физической величины (например, проекции спина электрона на какую-то ось или поляризации фотона) не определено ни для одной из подсистем. Однако, если мы произведем измерение над одной из подсистем и определим значение выбранной физической величины, то мы с достоверностью будем знать значение этой физической величины и для другой подсистемы.

Примером системы, находящейся в зацепленном состоянии, являются два фотона, появившиеся в результате спонтанного параметрического распада фотона, распространяющегося в среде с квадратичной нелинейностью (например, в кристалле BaB₂O₄). Для зацепленных фотонов нельзя указать, какова поляризация каждого из фотонов пары; если же произвести измерение над одним фотоном и — тем самым — определить его поляризацию, то и поляризация другого фотона также станет определенной. Стоит подчеркнуть, что производя измерение над одной частицей мы в тот же момент определяем и состояние другой частицы, как бы далеко эти частицы друг от друга ни находились. Таким образом, связь между частицами носит принципиально нелокальный характер.

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.

Казалось бы, нарушается принцип причинности — следствие и причина не разделены временем, если понимать время как способ организации последовательности событий. Поэтому Эйнштейн и соавторы, оценивали свою чисто теоретическую, но, тем не менее, жестко формализованную, модель как неприложимую к практике, эксперименту. Это состояние противоречия теории и видимой физической реальности длилось около 30 лет, хотя Н. Бор и многие другие физики полагали, что никакой проблемы здесь вообще нет.

Действительно, в рамках классического подхода после того, как система распалась на составные части, никакое воздействие на одну из частей не может изменить состояние другой части, если частицы не взаимодействует. И более того, поскольку скорость распространения сигнала не может превышать скорости света, то при определенных условиях — в рамках классического подхода — воздействие на одну часть системы никаким образом не может повлиять на другую часть системы. В математическом виде это утверждение было сформулировано Дж. Беллом в 1964 г. в виде так называемых неравенств Белла, нарушение которых означает невозможность описать систему классическим образом и свидетельствовало в пользу вероятностной трактовки квантовой механики.

Вопрос о квантовой телепортации впервые был поставлен в 1993 году группой Ч. Беннета, которая, используя парадокс ЭПР, показала, что в принципе сцепленные частицы могут служить своего рода «транспортом». Посредством присоединения третьей — «информационной» — частицы к одной из сцепленных частиц, можно передавать ее свойства другой, причем даже без измерения этих свойств. Экспериментальная реализация ЭПР-канала была осуществлена работами двух групп исследователей — австрийскими исследователями из университета в Инсбруке, возглавляемыми Антоном Цойлингером, и итальянскими, из университета «La Sapienza» в Риме под руководством Франческо Де Мартини. Опыты группы Цойлингера и Де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике для передачи через световоды состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстояниях до 10 километров.

В эксперименте неполяризованный свет, проходящий через кристалл, расщепляется на два поляризованных во взаимно перпендикулярном направлении луча. В оптическом смесителе фотон взаимодействовал с одним из пары связанных фотонов. Между ними в свою очередь возникала квантово-механическая связь, приводящая к поляризации новой пары. 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.

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.

Упрощенно схему квантовой телепортации можно представить себе следующим образом. Алисе и Бобу (условные персонажи) посылаются по одному фотону из пары запутанных фотонов. Алиса имеет у себя частицу (фотон) в (неизвестном ей) состоянии A; фотон из пары и фотон Алисы взаимодействуют («зацепляются»), Алиса производит измерение и определяет состояние системы из двух фотонов, оказавшейся у нее. Естественно, первоначальное состояние A фотона Алисы при этом разрушается. Однако фотон из пары зацепленных фотонов, оказавшийся у Боба, переходит в состояние A. В принципе, Боб даже не знает при этом, что произошел акт телепортации, поэтому необходимо, чтобы Алиса передала ему информацию об этом обычным способом.

В работах группы ученых из университета в Инсбруке квантовая телепортация осуществлялась несколько более сложным способом; телепортируемое состояние само по себе являлось зацепленным. Генерировалось две пары запутанных фотонов, из каждой пары по одному фотону (0 и 3) направлялось Бобу, и по одному (1 и 2) — Алисе. Алиса производила измерение над фотонами 1 и 2, в результате чего пара фотонов оказывалась в одном из четырех возможных зацепленных состояний (при этом фотоны 0 и 3 также оказывались в определенном запутанном состоянии); результаты измерения сообщались Виктору. Особенность ситуации в том, что фотоны 0 и 3 первоначально не находились в зацепленном состоянии, их зацепленность порождалась действиями Алисы над фотонами 1 и 2. Боб проводил поляризационные измерения над каждым из фотонов 0 и 3 (и также сообщал результаты Виктору). Виктор проводил сравнение результатов измерений и мог фиксировать нарушение неравенства Белла, что и было сделано.

Австрийские ученые также провели эксперимент в модифицированном виде. Регистрация фотонов Бобом происходила до того как Алиса производила свое измерение. Оказалось (как и следует ожидать в рамках квантовой механики), что это никак не повлияло на результаты эксперимента. В рамках классического подхода возникает неразрешимый парадокс — позднейшее по времени действие Алисы влияет на результат более раннего действия Боба. Однако с квантово-механической точки зрения парадокса нет: наблюдаемый эффект надо понимать так, что физическая интерпретация результатов Боба зависит от позднейшего решения Алисы.

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. 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.

В различных странах обсуждаются программы по применению эффекта квантовой телепортации для создания квантовых оптических компьютеров, где носителями информации будут фотоны. Первые электронные компьютеры потребляли десятки киловатт энергии. Скорость работы квантовых компьютеров и объемы информации будут на десятки порядков превосходить таковые у существующих компьютеров. В будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети. Кстати, квантовые вирусы будут гораздо опаснее нынешних сетевых, так как после своей телепортации они смогут существовать вне компьютера. Квантовые компьютеры будут реализовывать холодные вычисления, работая практически без затрат энергии. Ведь трение, ведущее к бесполезному расходованию энергии, — понятие макроскопическое. В квантовом мире главный вредитель — шум, исходящий из некоррелированного взаимодействия объектов друг с другом.

К настоящему времени квантовая информатика обрела все признаки точной науки, включая систему определений, постулатов и строгих теорем. К числу последних относится, в частности, теорема о невозможности клонирования кубита (No cloning theorem), строго доказанная с применением теории унитарного оператора квантовой эволюции. Т. е. невозможно, получив полную информацию о квантовом объекте A (изначально его состояние неизвестно), создать второй, точно такой же, объект, не разрушив первый. Дело в том, что создание двух кубитов — абсолютных копий друг друга — приводит к противоречию, которое можно было бы назвать парадоксом квантовых близнецов. Однако и без того ясно, что создание двух электронов в одном и том же квантовом состоянии невозможно в силу ограничения, накладываемого принципом Паули. Парадокс близнецов не возникает, если при клонировании снабжать копии отличительными признаками: пространственно-временными, фазовыми и др. Тогда генерацию лазерного излучения можно понимать как процесс клонирования фотона-затравки, попавшего в среду с оптическим усилением. Если же к квантовому копированию подходить строго, то рождение клона должно сопровождаться уничтожением исходника. А это и есть телепортация.

Материалы к программе:

Из статьи: Alan Hall «Beam Me Up. An experiment confirms that teleportation is possible—at least for photons».

В университете Инсбрука Антон Зейлингер с сотрудниками осуществили эксперимент по проверке квантовой телепортации. Аналогичные опыты были проведены в Риме Франческо де Мартини (Francesco De Martini). Обоими группами независимо была продемонстрирована возможность передать свойства одной квантовой частицы (такой как фотон) — другой, причем даже в том случае, если они находятся на противоположных концах галактики.

До самого последнего времени физики отрицали возможность телепортации, прежде всего потому, что любые частицы являются одновременно и частицами и волнами. В этом и заключается сложность: чтобы создать точный дубликат какой-либо частицы, необходимо прежде определить ее скорость и ее волновые свойства, в частности импульс. Но это запрещено принципом неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, невозможно одновременно определить и волновые, и корпускулярные свойства частицы. Чем точнее вы узнаете один признак, тем менее можно сказать о другом.

Вопрос о квантовой телепортации был поставлен в 1993 году группой из шести ученых — Richard Jozsa, William K. Woolters, Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Asher Peres. Ими был предложен способ, как обойти запрет, налагаемый принципом неопределенности. Решение основывалось на теореме квантовой механики, сформулированной в 30-х годах и названной эффектом Эйнштейна-Подольского-Розена. Согласно этой теореме, когда две частицы контактируют друг с другом, они могут оказаться «сцепленными». В сцепленном состоянии обе частицы остаются частью одной квантовой системы, так что все, что происходит с одной из них, влияет на другую. Причем это влияние предсказуемого и напоминает принцип домино. Далее, группа ученых, о которой идет речь, показала, что в принципе сцепленные частицы могут служить своего рода «транспортом». Посредством присоединения третьей — «информационной» — частицы к одной из сцепленных частиц, можно передавать ее свойства другой, причем даже без измерения этих свойств.

Идея Бенетта не была экспериментально подтверждена, пока не были проведены недавние опыты в Инсбруке. Там исследователи создали пары сцепленных фотонов и показали, что они могут передавать свою поляризацию от одного фотона другому.

Телепортация по-прежнему характеризуется важной и нерешенной проблемой: в «смазанном» (fuzzy) мире квантовой механики, результат передачи находится в зависимости от того, как получатель интерпретирует его. Так что получатель нуждается в ком-то, кто сказал бы ему, что телепортация произошла, и тем самым позволил бы получателю корректно проинтерпретировать то, что он видит «на выходе». А такого рода коммуникация не может происходить быстрее скорости света. Но уже сейчас эта теория имеет приложения по крайней мере в области квантового компьютера и квантовой криптографии.

Из статьи «Quantum Teleportation» (по материалам журналов «Nature» и «Science news»)

Согласно принципу неопределенности, чем больше получено информации о некоем объекте, тем больше искажений вносится в этот объект — и так до тех пор, пока исходное состояние объекта не будет нарушено полностью, а в тоже время точная копия все же не получится. Это звучит как весомое возражение против телепортации: если для создания точной копии из объекта невозможно извлечь достаточно информации, то похоже, что точная копия не может быть создана. Но шестеро ученых нашли способ обойти это затруднение, используя знаменитый и парадоксальный принцип, известный как эффект Эйнштейна-Подольского-Розена. Коротко говоря, они нашли способ извлечь часть информации, необходимой для передачи, из объекта А, одновременно передавая — при помощи эффекта Эйнштейна-Подольского-Розена — оставшуюся часть информации объекту С, который никогда не был в контакте с объектом А. Затем, обрабатывая С в зависимости от полученной информации, возможно привести С точно в то состояние, в каком находился объект А до того, как из него была извлечена информация. Сам объект А уже не находится в прежнем состоянии, поскольку вследствие извлечения из него информации, его состояние было нарушено — так что в результате происходит не дупликация, а телепортация.

Итак, оставшаяся часть информации передается от А к С через опосредующий объект В, который взаимодействует сначала с С, а потом с А. Правильно ли говорить «сначала с С и потом с А»? Безусловно, для того чтобы передать нечто от А к С, носитель должен сначала контактировать с А, и только потом с С, а не наоборот. Однако существует некая удивительная, не считываемая часть информации, которая — в этом ее отличие от любого материального объекта и даже от обычной информации — и в самом деле может быть отправлена таким «обратным» путем. Этот особый тип информации, также называемый «корреляцией Эйнштейна-Подольского-Розена», EPR-корреляцией или «сцеплением», известен по крайней мере с 30-х гг., когда он обсуждался Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном. В 60-х гг. Джоном Беллом было показано, что пара сцепленных частиц, бывших в контакте, а затем удалившихся друг от друга так, что непосредственное их влияние друг на друга невозможно, эта пара частиц может вести себя с такой вероятностью, которая слишком строго скоррелирована, чтобы быть объясненной классической статистикой. Эксперименты с фотонами и другими частицами многократно подтвердили эту корреляцию, тем самым ясно подтвердив корректность квантовой механики, которая давала строгое объяснение данной корреляции. Другим общепризнанным фактом относительно EPR-корреляций было то, что они не могут сами по себе производить осмысленные и поддающиеся проверке послания. Их значение видели только в подтверждении истинности квантовой механики. Но теперь известно, что благодаря феномену квантовой телепортации, они могут передавать как раз ту часть информации в объекте, которая слишком «ускользающа», «тонка», чтобы быть получена и переправлена обычными методами.

Сравним, как происходит передача информации по факсу и как при квантовой телепортации.

При обычной передаче по факсу, оригинал сканируется, из него извлекается часть информации, и он остается более-менее прежним после сканирования. Полученная (отсканированная) информация посылается на принимающее устройство, где она отпечатывается на неком материале (например, бумаге) и получается приблизительная копия исходного оригинала.

При квантовой телепортации два объекта — В и С — сначала соприкасаются, а потом разделяются. Объект В отправляется на передающее устройство, а С — на принимающее. В передающем устройстве объект В сканируется вместе с объектом А, который необходимо телепортировать, из них извлекается некоторая информация, а состояние А и В полностью искажается. Отсканированная информация посылается на получающее устройство, где она используется для выбора тех или иных режимов, которые затем применяются к объекту С, чтобы превратить С в точную копию прежнего состояния А.

Из статьи L. Vaidman «Teleportation: Dream or Reality?»

Смысл слова «телепортация»

Не так давно слово «телепортация» пришло из фантастики в науку. Bennet, Brassard, Crepeau, Jozsa, Peres и Wootters (BBCJPW) первыми провели эксперимент, названный ими «квантовой телепортацией».

Обычно считается, что переместить человека, значит переместить все частицы, из которых он состоит. Однако, в квантовой теории сами частицы не репрезентируют личность: все объекты состоят из одних и тех же элементарных частиц. Тот или иной объект описывается квантовым состоянием частиц, из которых он состоит. Следовательно, «перемещение» объекта есть реконструкция квантового состояния частиц и воссоздание этого состояния на удаленном расстоянии.

Квантовое состояние объекта, предназначенного для перемещения, предполагается неизвестным. В самом деле, обычно мы ничего не знаем и не можем узнать о квантовом состоянии объекта. Более того, часто объект не описывается только квантовым состоянием, поскольку его частицы могут коррелировать с другими системами. В таких случаях сущность объекта составляют эти корреляции. Для того чтобы переместить такие корреляции (взаимосвязи) — даже если они известны — без доступа к системам, коррелирующим с нашим объектом, необходим метод телепортации неизвестного квантового состояния.

Квантовая телепортация переносит квантовое состояние системы и ее корреляций в другую систему. Более того, современному значению слова «телепортация» соответствует следующая процедура: объект дезинтегрируется в одном месте, а в другом месте возникает его совершенная копия. Объект или его полное описание в ходе телепортации никогда не находится между этими двумя местами. Обратите внимание, что «дезинтеграция» квантового состояния является необходимым условием согласно теореме о запрете на клонирование (no-cloning theorem).

Процесс телепортации, кроме предварительной подготовки квантовых туннелей, требует передачи неожиданно небольшого количества информации между двумя местами. Так что, согласно специальной теории относительности, мы не можем надеяться на сверхсветовую телепортацию — объект несет с собой сигналы.

Согласно вышеизложенному, я нахожу, что опыты BBCJPW весьма близки к понятию «телепортации» как оно используется в научно-фантастической литературе. Так что термин «телепортация» не очень оправдан в недавних лабораторных опытах, так же как и в других экспериментах. На мой взгляд, эксперимент заслуживает имени «телепортация» если я могу придать Алисе (отправителю, передатчику) систему, чье квантовое состояние неизвестно ей и которая может — не перемещая эту систему и не перемещая любую другую систему, которая может выражать квантовое состояние системы — передать это состояние Бобу (получателю), расположенному на удаленном расстоянии.

Недавние эксперименты и теории, обозначаемые понятием «телепортация»

Ниже я рассмотрю в сущности семантические проблемы, но по моему мнению такое прояснение весьма важно. Я нахожу, что доклад, положивший начало обсуждению телепортации, является одним из наиболее важных результатов в своей области за последнее десятилетие, и я считаю, что он должен быть четко отделен от других интересных, но менее основополагающих достижений.

Не так давно я слышал слово «телепортация» в отношении экспериментов типа NMR с квантовым компьютером. Используя определенные импульсы, спин ядра большой молекулы передается другому ядру в этой же молекуле. Главная проблема этих экспериментов в том, что они не позволяют передавать неизвестное квантовое состояние. В самом деле, в NMR экспериментах определенное число макроскопических молекул должно обладать конкретным квантовым состоянием. Если Алиса получает отдельный квантовый объект в неизвестном квантовом состоянии, она не в состоянии копировать его и таким образом подготовить много копий во многих молекулах — согласно теореме о запрете на клонирование.

Очевидная слабость NMR экспериментов в том, что внутреннее соединение, играющее роль канала классической информации, которую необходимо передать, может — в принципе — выражать квантовое состояние. Однако, благодаря значительной зависимости от окружающей среды, квантовое состояние, передаваемое по такому каналу, в значительной степени определяется окружающей средой. Только собственное состояние, соответствующее классическому состоянию, стабильно в таких взаимодействиях и, следовательно, нужно рассматривать такой канал как классический.

Другой контекст, в котором я столкнулся с понятием «телепортация», это работа по оптическому моделированию квантового компьютера. Там содержится предложение рассматривать телепортацию как конкретную цепь в квантовом компьютере. Проблемы, связанные с оптическими экспериментами состоят в следующем: в отличие от классического канала, как передающего два бита информации, реальные фотоны движутся от Алисы к Бобу и эти фотоны могут целиком передавать квантовое состояние степени поляризации свободы фотона. Это целиком сходно с главной трудностью NMR-телепортации, упомянутой выше, но в данном случае окружающая среда не делает квантовый канал на самом деле классическим. Заметьте, что исходная концепция квантового канала здесь открыто заменяется классическим каналом в целях сделать эту концепцию близкой телепортации в смысле BBCJPW. Так что оптическое моделирование телепортацией является в последнюю очередь. Кажется, что авторы отдают себе в этом отчет, когда делают примечание: «Понятие телепортация используется в литературе чтобы обозначить передачу состояния одного кубита — другому». Я полагаю, что это слишком широкое обобщение. Этому определению соответствуют многие процессы, описанные (и даже осуществленные в лабораториях) задолго до появления доклада о телепортации.

Теперь обратимся к телепортации в римских экспериментах. Как я покажу ниже, главное затруднение в достижении успешной телепортации — это практическая сложность заставить один квантовый объект взаимодействовать с другим. В оптических экспериментах квантовые объекты — фотоны — взаимодействуют с классическими: мишенью, детектором и т. д. Папеску предложил элегантное решение этой проблемы: две степени свободы одного фотона должны реально взаимодействовать друг с другом. Эта идея была успешна воплощена в римских экспериментах, в которых поляризационное состояние одного фотона было передано другому. Однако главная слабость этого подхода в том, что квантовое состояние, которое надо телепортировать, должно быть состоянием одного из членов ERP-пары, задающей квантовый канал эксперимента по телепортации. Следовательно, данный метод не может быть использован для телепортации неизвестного квантового состояния внешней системы. Авторы используют понятие телепортации, поскольку после подготовки Алиса не может обнаружить квантовое состояние, которое, тем не менее, передано (всегда и с высокой точностью) Бобу.

Наконец, рассмотрим эксперименты в Инсбруке. Я полагаю, что они заслуживают имени «телепортация». Они впервые показали, что неизвестное состояние внешнего фотона может быть телепортировано. Нельзя сказать, что это абсолютно достоверно: эксперименты были успешны только в 25 процентах случаев, и примененный метод в принципе не может привести к достоверной телепортации. Для системы, состоящей из N кубитов, возможность успешной телепортации уменьшается по экспоненте.

Недавно слабое место экспериментов в Инсбруке было отмечено Браунштейном и Кимблом. В этих экспериментах можно узнать, что телепортация была успешной только после того, как Боб определит (и, следовательно, исказит) фотон с телепортированным состоянием. Следовательно, обозначение, данное Браунштейном и Кимблом этим экспериментам, — «апостериорная телепортация» — представляется верным. Тем не менее, как отмечается авторами, представляется возможным решить эту проблему посредством модификации эксперимента и, следовательно, она не является критически важной.

Другим возможным способом развития данного эксперимента является использование одного исходного фотона. В теперешней версии эксперимента поляризатор, контролирующий исходное квантовое состояние, является стационарным и, следовательно, создается много фотонов одного состояния. Поэтому это состояние вряд ли может рассматриваться как «неизвестное» квантовое состояние. Низкая интенсивность исходного луча и частая смена угла поляризатора — это простое и эффективное решение проблемы. Идеальным решением является «однофотонная пушка», создающая однофотонное состояние.

Из книги Л. Аккарди «Urns and Chameleons» («Лотереи и хамелеоны: Диалоги о квантовой теории»)

Кандидо. Я не удовлетворен состоянием современной физики.

Амадеус. Почему?

Кандидо. Потому что она не может стать культурой в широком смысле. Она полностью игнорирует проблему трансформации знаний, накопленных наукой, в представление о мире.

Академус. Я не знал, что такая проблема существует. В чем она состоит?

Шредингер. Физика, целью которой является не только изобретение новых поразительных экспериментов, но также и получение понятных результатов исследования, подвергается в настоящее время, как мне кажется, большой опасности быть отрезанной от своих исторических корней... Теоретическая наука, не осознающая того факта, что ее построения, считающиеся наиболее замечательными и влиятельными, предназначены для внедрения в концепции, которые влияют на сообщество образованных людей и становятся частью и собственностью общего взгляда на мир; теоретическая наука, говорю я, в которой это предано забвению, и где эксперты продолжают держаться стайкой, используя термины, которые в лучшем случае понятны лишь небольшой группе ученых, неизбежно будет отрезана от остальной образованной части человечества.

Магрис. Раньше, примерно до появления физики Эйнштейна, существовало соответствие, хотя и приблизительное, несовершенное и зачастую неточное между научным знанием и возможностью для простого человека мысленно представить себе это знание. Научное знание влияло на восприятие мира, способ видения и представления и, следовательно, — для писателя или художника — изображение его... После Эйнштейна, похоже, возник непреодолимый разрыв между современной физикой (особенно, но не только, квантовой механикой) и пониманием (и поэтому восприятием и воображением) его простым человеком.

Бафико. Это только на уровне эпистемиологического отражения — когда человек сталкивается с ограничением познания, присущим человеческим условиям — научное знание становится научной культурой и может произойти слияние этих двух культур.

Академус. Я не вполне понимаю все эти намеки на восприятие мира, его представление, слияние двух культур. Они кажутся мне довольно туманными...

Кандидо. Это немного напоминает разницу между культурой и специальными техническими знаниями: отсутствует четкая граница, но существуют некие идеи или некие работы-символы, которые соответствуют определенной культуре, определенному периоду времени; существуют и другие, которые успешно проникли более чем в одну культуру, более чем в один период времени; наконец, существуют и другие, которые постоянно присущи человечеству. Люди обладают чем-то вроде инстинктивного восприятия этих идей, внутренней способностью ощущать их присутствие в воздухе, а также желание, стремление найти их. Одна из наиболее глубоких причин неудовлетворенности квантовой теорией заключается в том, что она, по-видимому, устраняет эту способность образованных людей, не являющихся специалистами в данной области, схватывать глубокую концепцию, историческое изменение. Люди не понимают, сталкиваются они с изменением концепции или с техническим прогрессом, и приходят в замешательство...

Вопросы для дискуссии:

• Возможна ли телепортация макроскопических предметов на далекие расстояния?

• Кто был прав — Эйнштейн или Бор в их знаменитой дискуссии о полноте квантовой теории?

• Не противоречит ли явление квантовой телепортации релятивистской причинности?

• Какие практические применения может иметь явление квантовой телепортации?

• Является ли элементарная частица неодушевленным шариком или скорее хамелеоном, меняющим цвет в зависимости от окружения?

Библиография

Аккарди Л. Лотереи и хамелеоны. Диалоги о квантовой теории. М., 2002.

Белокуров В. В., Тимофеевская О. Д., Хрусталев О. А. Квантовая телепортация — обыкновенное чудо//Регулярная и хаотическая динамика. Ижевск, 2000.

Волович И. В. Квантовая телепортация, криптография и парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. М., 2002.

Accardi L., Lu Yu.G., Volovich I. V. Quantum Theory and Its Stochastic Limit. Springer, 2002.

Accardi L., Imafuku K., Regoli M. On the EPR-Chameleon Experiment//Infinite dimensional Analysis and Quantum Probability. 2002. V.5.

Bell J. S. On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox//Physics. 1964. V. 1.

Bennet C. H., Brassard G., Crepeau C. Teleporting and unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels//Phys. Rev. Lett. 1993. V. 70.

Braunstein S. Multipartite entanglement for continuous variables: A quantum teleportation network//Phys. Rev. Lett. 2000. № 84.

Einstein A., Podolsky B., Rosen N. Can Quantum — Mechanical Description of Physical Reallity be Considered Complete?//Phys. Rev. 1935. V. 47.

Ohya M., Volovich I. V. Quantum Computer, Cryptography, Teleportation. Springer, 2002.

Тема № 111

Эфир 21.05.2002

Хронометраж 1:15:00

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz