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

И наконец, Алиса и Боб могут телепортировать состояние фотона, который сам запутан с неким четвертым фотоном. Так как они ничего не узнают о телепортируемом состоянии, то не разрушают телепортируемую запутанность. Так мы используем оба аспекта запутанности: дважды для того, чтобы создать корреляцию разнесенных в пространстве фотонов, и один раз при совместном измерении. Мы можем запутать фотоны, которые никогда не встречались друг с другом и не имеют общего прошлого, как показано на рис. 8.2. В этом случае можно говорить о телепортации запутанности.

После всего сказанного можно сделать ошибочный вывод, что квантовая телепортация – это не более чем квантовый факс. Боб должен иметь кубит, подобный чистому листу бумаги, на котором будет напечатано состояние полученного «по факсу» кубита. Однако эта аналогия неверна по нескольким причинам.

Для начала заметим, что, когда мы используем телепортацию, мы не просто передаем по факсу некую небольшую порцию информации – мы передаем самую глубинную структуру материи в форме квантового состояния. Получившийся в итоге кубит не только содержит в себе состояние исходного кубита, но и абсолютно идентичен ему во всех смыслах.

Во вторых, для описания состояния квантовой системы необходимо бесконечное количество информации, ведь квантовых состояний бесконечно много. К примеру, состояние поляризации фотона можно описать углом. Для того чтобы передать значение этого угла, необходимо бесконечное количество битов информации. В то же время при квантовой телепортации для передачи состояния поляризации фотона требуется только один бит. Это означает, что при квантовой телепортации происходит бесконечно малый объем коммуникации по сравнению с передачей информации о телепортируемом состоянии (если бы последнее было нам известно).

Третье отличие в том, что при квантовой телепортации ни Алиса, ни Боб ничего не знают о состоянии телепортируемого кубита. Этот замечательный факт крайне полезен в криптографии. Ведь если кто-то отправляет факс, любой злоумышленник может перехватить сообщение, подключившись к линии. А в квантовой телепортации такое невозможно. Как мы знаем, состояние телепортируемого кубита неизвестно никому, в том числе отправителю и получателю. Поэтому Алиса может спокойно телепортировать свое сообщение Виктору, который затем телепортирует его Бобу. Если Виктор четко следует протоколу квантовой телепортации, то он ничего не узнает про само сообщение. Более того, Алиса и Боб могут убедиться, что процесс прошел нормально и что Виктор действовал по правилам, применив необходимый протокол квантовой криптографии. Даже на уровне целой телепортационной сети Алиса и Боб могут гарантировать конфиденциальность их общения, даже если между ними есть промежуточные узлы (квантовые повторители, как называют их физики).

Вы бы вошли в квантовый телепорт? На вашем месте я был бы очень осторожен сразу по двум причинам. Начать нужно с того, что те немногие эксперименты по квантовой телепортации, которые уже проведены, продемонстрировали принцип, что само по себе чудесно, но для этого приходилось отбирать те редкие случаи, в которых исходный объект не был потерян. В большинстве из этих демонстраций использовались фотоны, и – как и при демонстрации игры Белла (см. подробности в разделе «Лазейка недостаточной выборки») – большая их часть была потеряна. Физики это хорошо знают и все же считают проведенные демонстрации убедительными. Однако если бы мне пришлось выбирать, я бы не рискнул занять место одного из таких фотонов в эксперименте по телепортации. Если говорить серьезно, в тех нескольких экспериментах, которые проводились на атомах, почти все кандидаты на телепортацию прибыли в место назначения. Однако необходимо уточнить, что в этих экспериментах получатель находился менее чем в одном миллиметре от отправителя.

Но есть и вторая причина для осторожности. Для телепортации объекта макромира понадобится запутать невообразимое количество пар. Но состояние запутанности очень хрупкое. Чтобы сохранить его, необходимо избегать любых источников возмущений, а это означает – любого взаимодействия с окружающей средой. Мы можем надежно изолировать фотоны оптоволокном, а атомы – специальными высоковакуумными ловушками. Но для такой гигантской запутанности, которая понадобится, чтобы телепортировать объект размером с кончик карандаша, сегодня немыслимо даже пытаться искать способы избежать возмущений, и это делает весь процесс телепортации попросту неосуществимым.

Сегодня, даже если бы можно было использовать неограниченные средства, никто не представляет, как преодолеть эту сложность. Она не является всего лишь технической проблемой. Сможем ли мы когда-нибудь передать квантовое состояние вируса? Пока до этого очень далеко. Начнем с того, что сначала нужно узнать, каким вообще может быть квантовое состояние вируса. Может быть, кто-то докажет, что это вообще нереально, или мы докопаемся до какого-нибудь нового принципа физики, который исключит телепортацию объектов привычных нам размеров. Не имею ни малейшего понятия. И в этом неопределенность и красота науки!

Судя по тому, что мы до сих пор видели, кажется, что природа действительно может рождать нелокальные корреляции. Но ученые не отказываются от своих теорий или концепций просто так. Когда эксперимент приводит к необычным результатам, они подвергают сомнению не только теорию, но и сам эксперимент. Можно ли его воспроизвести? Правильно ли интерпретированы результаты? В нашем случае эксперимент был повторен множество раз во всех вариациях на каждом из континентов. И все же мы увидим: очень трудно быть уверенным, что исключены действительно все возможные альтернативные интерпретации, притом что сегодня научное сообщество вполне убеждено, что фактически природа нелокальна.

В этой главе я расскажу обо всех научных спорах, которые вели ученые, чтобы в итоге прийти к убеждению, что нужно оставить все надежды описать природу через хорошо локализованные и взаимно независимые «элементы реальности». Любая картина природы, построенная по принципу дома из конструктора Lego, несовместима с нелокальностью, которую мы обнаружили в игре Белла. Читатели, которые уже достаточно убеждены в этом и не хотят продираться сквозь представленные далее научные споры, могут сразу перейти к главе 10.