Николя Жизан - Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса

Процесс телепортации требует, чтобы Алиса использовала вторую сторону явления запутанности, о которой мы еще очень мало знаем. Пока мы говорили только о первом проявлении запутанности, при котором две удаленные друг от друга квантовые частицы, к примеру два фотона, могут быть описаны неким запутанным состоянием. А у Алисы – два фотона, описываемых двумя состояниями. Первый – в неизвестном Алисе, но четко определенном состоянии поляризации, которого она может и не узнать, а второй – в некоем запутанном состоянии. Алисе нужно запутать два своих фотона. Чтобы сделать это, недостаточно измерить только один из них или другой. Она должна измерить их связанно. Это так же трудно понять, как и само явление запутанности, ведь мы не наблюдаем ничего похожего в привычном мире вокруг.

Представьте себе, что Алиса спрашивает у двух своих фотонов: «Вы похожи?» По-другому этот же вопрос звучит так: «Если бы я провела одно и то же измерение над каждым из вас, вы бы дали одинаковые ответы?» В привычном нам мире получить ответ на этот вопрос можно лишь единственным способом: действительно выполнив два измерения и сравнив результаты. Но в квантовой физике благодаря существованию запутанности мы можем пойти в обход. Мы можем «задать» двум фотонам этот вопрос, и они ответят, перейдя в запутанное состояние, и для этого не нужно проводить два отдельных измерения над каждым из них. Мы уже знаем такое свойство запутанного состояния, что если мы проведем одинаковое измерение, то есть проверим одно направление поляризации (как говорилось в главе 5), то они всегда будут выдавать один и тот же случайный результат, характеризуемый, как всегда, истинной нелокальной случайностью. И совсем не важно, какое направление поляризации мы выберем для измерения.

Если два фотона Алисы всегда дают тот же самый ответ на тот же самый вопрос и если фотон Боба, запутанный с фотоном Алисы, отвечает на этот вопрос так же, то из этого следует, что фотон Боба всегда будет давать тот же ответ, что и фотон, который мы хотим телепортировать. Вот так вот просто, ну или почти. Таким образом, мы должны применить эффект запутанности дважды: один раз как нелокальный канал квантовой телепортации (запутанное состояние фотонов Алисы и Боба) и второй раз, чтобы задать двум системам (двум фотонам Алисы) вопрос об их состоянии относительно друг друга, не получая при этом никакой информации о состоянии каждого из них (рис 8.1).

Но и это не конец истории. Как и всегда в квантовой физике, совместное измерение двух фотонов Алисы на предмет их относительного состояния дает истинно случайный результат, один из нескольких возможных. Если нам повезет, и мы получим результат «мы похожи» – дело в шляпе, хотя Боб об этом и не знает. Но что будет, если Алиса получит результат «мы не похожи», что означает «на один и тот же вопрос мы даем противоположные ответы»? В этом случае Боб должен «обратить» свой фотон, чтобы привести его в состояние, в котором его ответ совпал бы с ответом исходного фотона Алисы [58].

Но как задать вопрос фотонам? Это основная сложность эксперимента. Я не буду углубляться в этот вопрос, он лежит далеко за пределами нашего повествования.

Таким образом, совместное измерение Алисы дает случайный результат. В зависимости от этого результата либо фотон Боба всегда будет давать результат, который бы дал исходный фотон при измерении в том же направлении, либо он будет давать результат, противоположный потенциальному результату исходного фотона. Эти две ситуации равновероятны, и до этого момента Бобу не очень интересно участвовать в эксперименте. У него есть один шанс из двух получить такой же результат, который бы дал исходный фотон, и один шанс из двух на противоположный результат. Чтобы добиться этого, Бобу вообще ничего не надо делать: он же знает, что при всего двух возможных результатах вероятность правильного – 50 %. Но в процессе квантовой телепортации Алиса уже знает результаты собственного совместного измерения, поэтому ей заранее известно, какой результат измерения получит Боб. Следовательно, чтобы закончить процесс квантовой телепортации, Алиса должна сообщить Бобу о положении его дел.

Теперь нам становится понятно, как квантовая телепортация уходит от передачи сигнала на произвольных скоростях: процесс закончится только тогда, когда Боб получит информацию о результате совместного измерения, запутывающего два фотона Алисы. Эта коммуникация между Алисой и Бобом необходима, потому что без нее результаты измерений Боба будут чисто случайными, и он не сумеет их истолковать. Алиса передает информацию о результатах своих измерений по классическому каналу со скоростью света или медленнее. Но передача результата Алисы с необходимостью идет со скоростью света или медленнее. Следовательно, квантовая телепортация – от начала до конца – не идет со скоростью выше скорости света. Да, когда Алиса выполняет свое совместное измерение, что-то загадочное происходит на стороне Боба: его фотон переходит из неопределенного состояния в одно из двух возможных. Но Боб не может об этом узнать, ведь какое бы измерение он ни провел, его результат будет просто случайным. Но как только Алиса сообщает ему, в каком из двух состояний находится его фотон, Боб узнает, что он должен делать, чтобы систематически получать тот же результат, который получила бы Алиса, если бы выполнила измерение на своем исходном фотоне. Так фотон Боба оказывается в квантовом состоянии исходного фотона.

Заметьте, что Бобу совсем не обязательно измерять свой фотон. Он может сохранить его в целости на будущее и даже телепортировать куда-то еще. Можно вообразить целую телепортационную сеть с узлами, расположенными где-то в пятидесяти километрах друг от друга – на это расстояние эффект запутанности хорошо распространяется по оптоволокну. Если Боб узнает от Алисы, что его фотон всегда будет выдавать противоположный результат, Боб должен просто развернуть свой фотон [59]. Это можно сделать, не тревожа частицу, потому что Боб переориентирует поляризацию фотона, но не получает никакой информации о его состоянии. Заметим также, что Боб может телепортировать свой фотон дальше без «выпрямления». Необходимо лишь сообщить получателю, что тому нужно провести инверсию самому. В итоге конечный получатель рассчитает, сколько раз ему нужно развернуть фотон. Если это нечетное число, то нужно развернуть фотон один раз, а если четное, то не нужно и этого.

Важно еще вот что. Ни Алиса, ни Боб ничего не знают о телепортированном квантовом состоянии исходного фотона. Результат совместного измерения Алисы над двумя фотонами всегда совершенно случаен. Он не дает информации о квантовом состоянии, которое мы телепортируем, и это не должно нас удивлять. Мы видели, что если мы имеем дело с запутанным состоянием, то результат измерения в любом конкретном направлении всегда совершенно случаен – в том смысле, что он нередуцируемо случаен. И наоборот, если мы начинаем с поляризованного фотона, каким бы ни было направление поляризации, и спрашиваем: «Ты такой же?» – результат будет также совершенно случайным в указанном смысле. В некотором смысле это обратные по отношению друг к другу процессы. Рассуждая дальше, мы видим, что это абсолютно необходимо. Если бы Алиса и/или Боб могли узнать что-то о телепортируемом состоянии, они бы могли повторять процесс, телепортируя его взад и вперед, используя каждый раз новую пару запутанных фотонов, пока не накопили бы достаточно информации, чтобы воспроизвести точную копию этого состояния, а это противоречило бы теореме о невозможности клонирования (см. главу 4).