Телепортация путаницы

Телепортация давно перестала быть исключительно фантастическим термином и прочно завоевала научный лексикон. Правда, до переброски людей между городами ещё весьма далеко. Совсем недавно физики проводили опыты с фотонами, а теперь настал черёд атомных ядер.

Часть первая: квантовые тайны

Две группы учёных в австрийском университете Инсбрука (University of Innsbruck) и американском Национальном институте стандартов и технологий (NIST) почти одновременно и независимо друг от друга провели первую в мире телепортацию квантовых состояний атомов.

Ранее подобные опыты проводили лишь с фотонами. При этом давние эксперименты по телепортации носили вероятностный характер, в то время как в нынешних двух работах исследователи подчеркнули полную детерминированность (предопределённость) процесса от начала и до конца.

Даже среди физиков ещё идут жаркие дискуссии относительно тонкостей телепортации.

Что уж говорить о простых любознательных гражданах, которым обычно приходится читать материалы на данную тему двух типов — либо с кучей формул и непонятными терминами, либо научно-популярные, но с ошибками и распространёнными околонаучными мифами.

Сенсационные опыты австрийских и американских физиков — прекрасный опыт попытаться расставить все точки над «i».

И понять — почему даже перенос «облика» одного атома на другой вовсе не означает, не то что в десятилетия, но и в любом разумно-обозримом будущем, осуществимости той телепортации, что описывают фантасты.

Но зато открывает дорогу к квантовым компьютерам невиданной мощности.

Два года назад мы уже попробовали объяснить основы квантовой телепортации, но это как раз тот случай, когда «издание второе, исправленное и дополненное» — просто необходимо.

Итак, под квантовой телепортацией подразумевается передача от одной частицы к другой набора каких-либо её квантовых характеристик (значение спина у электрона или ядра, поляризация и фаза у фотона), или хотя бы одной из таких характеристик.

Заметьте, это вовсе не физический и не мгновенный перенос самой частицы от одной точки пространства к другой.

Что именно переносится при телепортации, наглядно представить не так просто, как кажется на первый взгляд. Это не информация об объекте. Это само состояние объекта.

Даже если мгновенная переброска людей останется мечтой, квантовая телепортация даст нам множество удивительных технологий (иллюстрация с сайта star-voyager.de).

Почему нельзя говорить о переносе информации? Ну, например, потому что в процессе опыта переносимые с одной частицы на другую точные характеристики (значения) так и остаются неизвестными экспериментаторам.

Более того, как ни странно, в той информации, что и вправду переносится при выполнении опыта (по вполне реальным физическим сетям и с вполне реальной скоростью света), простите за тавтологию, не содержится ровным счётом никакой информации о копируемом объекте.

Но по порядку. Представьте себе, что некий шарик может быть чёрным или белым. Применительно к компьютерной начинке мы могли бы говорить о «0» и «1» и о том, что данный шарик кодирует один бит.

В микромире, живущем по законам квантовой механики шарик — электрон, фотон или ядро атома — может находиться в суперпозиции — в призрачном состоянии между 0 и 1.

Но это не шарик просто серого цвета, как можно было бы подумать по аналогии с привычным миром.

Это некое распределение вероятности того, что, посмотрев на данный шарик, мы увидим тот или иной цвет.

Данное распределение выражается в виде так называемой волновой функции. А их совокупность для разных характеристик одной и той же частички можно считать полным «образом» шарика — полным квантовым состоянием.

Кстати, если уж говорить о спине (в простом представлении — это направление вращения частицы), то по логике вещей оно (в неких координатах) может идти либо по часовой, либо против часовой стрелки.

Но это справедливо лишь в макромире. А в микромире вращение частицы одновременно во все стороны — нормально.

Это призрачное многовариантное вращение может быть описано волновой функцией, но не измерено напрямую.

То же и с поляризацией фотона — пока он летит, его поляризация как бы «размазана» по некоему полю вероятностей, но как только он попадает в детектор — поляризация принимает вполне конкретное значение, каковое и измеряется.

Если говорить о физической стороне эксперимента австрийцев и американцев, то она готовилась давно.

Сейчас технически уже возможно изолировать один ион в ловушке из электромагнитных полей, охладить его до сверхнизкой температуры, а затем с помощью особо подобранных параметров лазерного луча — придать иону произвольное квантовое состояние.

Например, чтобы его спин был равен 1 или 0, или тому и другому с вероятностью точно 50%.

Такие стандартные квантовые операции или преобразования называют гейтами.

По аналогии с математикой, упрощённо, это похоже на прибавку единицы, её половины или нуля (или вычитанию) к неизвестному для экспериментатору числу (волновая функция — то есть предшествующее состояние частицы).

Результат остаётся неизвестным, но хотя бы известно одно его слагаемое.

Однако проблема в том, что законы природы не позволяют измерить у отдельной частицы её волновую функцию — сам факт измерения меняет частицу, и мы получим (в терминах информации) ноль или единицу, а вовсе не непредставимую и размазанную вероятность.

Но именно в таком вероятностном виде частица живёт, пока мы её не наблюдаем и не измеряем.

Потому нельзя просто померить «облик» одного атома и вылепить по слепку копию атома первого, взяв за основу другой атом (или фотон — всё будет аналогично).

И даже феномен запутанности или связанности не поможет. Во всяком случае, напрямую.

Напомним, запутанность — это способность частиц микромира объединяться в пары так, что квантовые состояния этих «шариков» всегда будут связаны, скоррелированы, даже если после запутывания частицы развести по разным городам.

Такую запутанность можно создавать искусственно, помещая две частицы вплотную рядом и облучая их одним лучом при условии сильнейшего охлаждения (миллионные доли градуса выше абсолютного нуля), устраняющего хаотичное движение частиц.

Тут, кажется, есть одна из главных ловушек для логики. Некоторые говорят, что если мы придадим запутанной частице некое состояние — то же состояние мгновенно примет и её родная пара.

Это не вполне так или, скорее, сильное упрощение. Запутанные частицы в реальности не обладают никакой возможностью узнать о переменах, случившихся с первой частицей.

К тому же информация не передаётся «мгновенно». Теория относительности пока ещё остаётся целой.

На самом деле, измеряя, скажем, спин частицы, мы всего лишь точно узнаем, что вздумай мы измерить его и у второй из запутанной пары — получим тот же результат.

Но, как мы сказали, открыв чёрный ящик, где спрятана частица (проведя с помощью того же лазера измерение некой её характеристики), мы увидим либо чёрный, либо белый цвет.

А нам-то интересно передать от одной частицы к другой не белый или чёрный, а «никакой» цвет — ту самую волновую функцию с её коэффициентами вероятности. Это и будет квантовой телепортацией.

Телепортация путаницы. Часть вторая: кульбиты кубитов

В первой части мы попытались объяснить основы квантовой телепортации. А теперь, собственно, переходим к тому, что сотворили с атомами, а точнее — с ионами кальция в Австрии и бериллия в США. И попробуем оценить, как эти опыты повлияют на будущее человечества.

Итак, сначала две группы учёных создали пару запутанных ионов (условно атом «1» и «2»), квантовые функции которых были, можно сказать, мистически связаны, но неизвестны по определению.

Это как проделать произвольные манипуляции с двумя шариками в чёрном ящике вслепую, не включая свет.

Затем физики взяли третий ион («3»), квантовую функцию которого опять-таки измерить нельзя, и запутали его с одним из ионов (допустим «1») от первой пары.

Потом физики провели измерение квантовых параметров (в данном эксперименте — спин и фаза) у ионов «1» и «3».

Этот конкретный результат и передавался физически (с вполне конечной скоростью, а вовсе не мгновенно).

Далее, руководствуясь правилами вычисления волновых функций, физики определяли, какой гейт нужно применить к иону номер «2», чтобы в результате его волновая функция стала копией таковой у иона «3», каким он был до эксперимента.

Таким образом, ион «2» становился идентичным третьему — осуществлялась телепортация.

Хотя какая же именно была та волновая функция, что телепортировалась — оставалось принципиально непознаваемым.

Вычислить её из переносимой физически информации было невозможно — этой информации там просто не было.

Так что принцип квантовой физики — нельзя измерить квантовые параметры частицы, не изменив их самим фактом измерения — оставался незыблемым.

Кстати, прекрасно соблюдался и другой закон физики — запрет на клонирование частиц.

Он гласит, что двух частиц с одинаковыми квантовыми состояниями одновременно быть не может.

Но ведь исходная частица, состояние которой переносилось на новую, сама в ходе опыта становилась другой.

Теперь вернёмся к началу. Почему нельзя телепортировать вещество?

Видимо, потому, что для этого нужно телепортировать все квантовые параметры частицы. А это не только спин или фаза вращения, но и много-много других чисел.

Препятствие тут в том, что, измеряя какой-то один из этих параметров, мы непоправимо меняем всё квантовое состояние частицы, как бы «задевая» другие параметры.

Так что, представляется, скопировать частицу полностью невозможно, хотя телепортировать некий её параметр — реально.

Зато для квантовых компьютеров новые опыты — путеводная звезда и свет в конце тоннеля. Такие компьютеры оперируют не с битами, а с кубитами (квантовыми битами).

Если один бит кодируется в компьютере зарядом или напряжением (есть — нет, 1-0), то кубит — неким квантовым параметром носителя (тем же спином, например).

А так как он носит вероятностный характер, то получается что один элемент такого компьютера (фотон или ион) находится сразу в двух состояниях — 0 и 1. Два кубита представляют сразу четыре числа — 00, 01, 10 , 11. Вообще — n кубитов — это 2 в степени n чисел.

А операции с ними квантовый компьютер проводит, ну очень упрощённо, как над матрицей (говорят «суперпозиция кубитов») — одномоментно.

Ведь само физическое устройство квантового компьютера предполагает проведение операций (тех самых гейтов) не над кубитами даже, а де-факто над квантовыми состояниями частиц-носителей информации.

Потому там, где обычный компьютер вычисляет функцию f от одного x, квантовый компьютер получает сразу все значения этой функции от всех x.

Это и называют квантовым параллелизмом, который сулит в далёкой перспективе компьютеры такой мощности, что нынешние перед ними — как деревянные счёты.

Пространство-то представления чисел при линейном росте количества кубитов возрастает экспоненциально.

Вот здесь мы, человечество, и попытаемся распутать все возможности квантовой запутанности, ведь хотя квантовое состояние таких частиц для каждой из них по отдельности измерить нельзя, их общее квантовое состояние может быть определено, что и даёт возможность телепортации квантовых состояний.

Это, в свою очередь, наряду с огромным потенциалом представления информации, также станет ключевым моментом в квантовом компьютере, так как именно телепортацией в нём и будут передаваться данные между кубитами.

Наконец, достижение наших героев выглядит ещё более многообещающим, в свете того, что теперь в качестве физических носителей кубитов можно использовать долгоживущие атомы, а не «легкомысленные» фотоны.

Мы далеки от мысли, что, собирая материал для данной статьи, сумели целиком и полностью разобраться во всех тонкостях квантовой телепортации и квантовых вычислений. Поэтому дополнения и поправки — приветствуются.