Галина Железняк - Параллельные миры

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 разработки надежных методов квантовой телепортации возникнут реальные предпосылки для создания квантовых вычислительных систем.

Есть ли польза от телепортации?

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.

Можно ли узнать все?

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. Это значит, что невозможно, получив полную информацию о квантовом объекте А (изначально его состояние не известно), создать второй, точно такой же объект, не разрушив первый.

Дело в том, что создание двух кубитов, абсолютно копирующих 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 прототипа. А это и есть телепортация.

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, но в то же время точная копия все-таки 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.

Единственный способ — извлечь часть информации, необходимой для передачи от объекта А объекту С, который никогда не был в контакте с объектом А. Затем, обрабатывая объект С в зависимости от полученной информации, возможно привести его 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, а 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, несчиты-ваемая часть информации, которая — в этом ее отличие от любого материального объекта и даже от обычной информации — ив самом деле может быть отправлена таким «обратным» путем.

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 или менее прежним после сканирования. Полученная (отсканированная) информация посылается на принимающее устройство, где она отпечатывается на некоем материале (р!апример, на 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.

Как переместить человека?

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.

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).

Если инопланетяне когда-либо прилетали на нашу Землю, они должны были оставить на ней какие-то материальные следы своего пребывания. Может быть даже, что пришельцы из космоса не только посещали нашу планету, но и оставили информацию о себе для грядущих поколений. Послания от пришельцев должны где-то храниться в расчете на то, что люди, достигнув когда-то определенного уровня развития, найдут эти послания и используют их себе во благо.