Знание-сила, 2007 № 09 (963)

Сегодня это остается фантастикой. Пока передача квантовой информации через обычную оптоволоконную линию ограничена расстоянием до 200 километров (в сентябре прошлого года установлен рекорд расстояния — 184,6 километра при передаче секретного ключа по оптоволоконной линии), но на таком расстоянии эта фантастика уже воплощена в жизнь: разработано специальное оборудование, производимое по крайней мере двумя фирмами, которое активно покупается банками. Значение этого факта не стоит преуменьшать: в крупных городах передать конфиденциальную информацию между филиалами одного банка так же важно, как между городами или странами. А по классическим каналам связи — телефонным или компьютерным, это, как известно, делать небезопасно.

То, что уже работает на практике, так называемый квантовый протокол, разработанный в 1984 году, сегодня успешно развивается. Есть, конечно, трудности: по законам квантовой механики нельзя усиливать сигнал в процессе его передачи, поскольку нельзя клонировать неизвестное квантовое состояние. Таким образом, мы имеем те же, что и в классической теории информации, три ступени: переносчики — кубиты информации, обработка — воздействие на них какими-то физическими полями, переводящими квантовые регистры из одного квантового состояния в другое, а считывание информации — это их измерение. В экспериментальном изучении процесса измерения, благодаря квантовому компьютингу и квантовой информатике, в последнее время достигнут заметный прогресс. Это фундаментальный и очень сложный процесс — взаимодействие квантовой системы с классической. Здесь еще много открытых вопросов, но квантовая информатика открывает совершенно неожиданные перспективы.

Есть еще одно квантовое явление, которое именно в теории информации играет первостепенную роль. Это так называемые перепутанные или сцепленные квантовые состояния. Оказывается, квантовые системы могут находиться в такой сильной корреляции состояний, что воздействие на одну частицу «почувствуют» все остальные независимо от того, на каком расстоянии они находятся друг от друга. Эйнштейн не принял это положение и вместе с Розеном и Подольским в 1935 году сформулировал известный парадокс, связанный со сцепленными состояниями. Это очень трудная задача — понимание теории таких состояний, даже для экспертов она представляет большую трудность.

Такие сильно коррелированные системы нельзя рассматривать как независимые объекты, это единое целое независимо от того, на каком расстоянии они находятся друг от друга. И с помощью этой коррелированности перепутанных состояний удается передавать информацию. Один из протоколов квантовой криптографии, открытый в 1991 году, как раз использует состояние перепутанности. Это совершенно удивительная вещь. Она же используется в квантовых вычислениях, она же приводит к совершенно неожиданным следствиям. Например, благодаря этой перепутанности удается осуществлять квантовую телепортацию — экспериментально проверенное сначала на фотонах, а потом и на ионах, явление. При телепортации нужно передать из одной точки в другую неизвестное квантовое состояние, а не объект. Именно за счет связанных состояний это и удается сделать. Телепортация квантовых состояний, продемонстрированная экспериментально, лежит в основе квантовой информатики. Благодаря этому можно, например, осуществить и сверхплотное кодирование: с помощью переданного квантового однокубитного состояния можно передать два классических бита информации.

Сейчас происходит фундаментальное переосмысление некоторых вещей, которым раньше люди, занимающиеся квантовой физикой, не придавали значения. Что это означает? Законы квантовой механики достаточно хорошо поняты в постулате. Но знание законов или постулатов не означает глубокого понимания самих явлений. Красивый пример на этот счет приводит эксперт по квантовой информатике Майкл Нильсен (Австралия): если вы знаете правила игры в шахматы, это не означает, что вы станете экспертом этой игры. Кроме знания правил, надо понимать то, что лежит выше правил — некие эвристические закономерности, позволяющие достичь высот в этой игре.

Компьютеры в шахматах сейчас достойно соревнуются с людьми, которые не просчитывают все варианты или, по крайней мере, до конца их не просчитывают, но осмысливают правильную стратегию поведения. Так же и в квантовой информатике. Набор квантовых частиц удовлетворяет правилам квантовой механики, но что несет этот набор при достаточно большом количестве квантовых частиц (примерами замечательных многочастичных явлений являются квантовый эффект Холла и сверхпроводимость)? Как работать с такими системами, чтобы удовлетворять квантовым требованиям: передать информацию из одной точки в другую, затратить минимальную энергию, при этом информация должна быть достоверной, не должна потеряться в результате шумов или иного воздействия?

Чтобы это сделать, надо понять не постулаты квантовой механики, а более высокие принципы, базирующиеся на ее основах. В частности, оказывается, состояние перепутанности можно передать из одной системы объектов в другую. Эта перепутанность ведет себя примерно так же, как энергия. Если, например, рассмотреть процесс теплопередачи — это очень сложный процесс, но он описывается законами термодинамики. Так и перепутанность, с помощью которой можно осуществить и телепортацию, и сверхплотное кодирование, играет роль энергии, и надо сформулировать законы, подобные законам термодинамики, которые управляют процессом передачи перепутанности. Это открытая проблема, и сейчас ею многие занимаются, и уже есть интересные частные результаты, появилось много экспериментального оборудования.

Квантовая информатика — молодая область, ей, если говорить точно, 22 года, но особенно активно она развивается последние десять лет. Классические теории кодов очень хорошо разработаны. Яркое достижение последних лет в этой области заключается в следующем: чтобы передать голосовое или какое-то другое сообщение по шумящему каналу, надо дописать избыточную информацию в это сообщение. Затем по тому, как эти избыточные биты будут нарушаться, можно будет восстановить существенную часть информации. Это одна из теорий кодов, исправляющих ошибки.

Недавно была разработана теория квантовых кодов, исправляющих ошибки, основанная на явлении перепутывания. Это очень мощная вещь. Она позволяет четко утверждать, что теория передачи квантовой информации после решения определенных технических проблем будет надежна, но, в отличие от классической, абсолютно безопасна. Когда ее смогут передавать на расстояние более 200 километров, через спутники, тогда на Земле наступит новая эра телекоммуникаций.