Ловушка для атомов

• Тигран Оганесян

В исследованиях, цель которых - создание сверхмощных квантовых компьютеров, произошел серьезный прорыв. Две независимые группы из ведущих профильных научных центров - австрийский Университет Инсбрука и Национальный институт стандартов и технологий (Боулдер, штат Колорадо) - провели первые успешные опыты по квантовой телепортации атомов.

Как известно, в квантовой теории тот или иной объект описывается набором физических характеристик частиц, из которых он состоит. Перемещение такого объекта - это реконструкция первоначального квантового состояния частиц и воссоздание этого состояния на расстоянии. Но объекты описываются не только квантовым состоянием, но и взаимосвязями составляющих его частиц с другими системами. Поэтому для осуществления квантовой телепортации необходимо перенести в другую систему как квантовое состояние исходного объекта, так и все его взаимосвязи.

Вплоть до недавнего времени наука отрицала саму возможность телепортации, так как, согласно классическим законам физики, любые частицы являются одновременно и частицами, и волнами. Для создания точного дубликата какой-либо частицы необходимо сначала установить и ее скорость, и волновые свойства, в том числе импульс. Однако эта задача вступает в противоречие с так называемым принципом неопределенности Гейзенберга, согласно которому невозможно одновременно определить и волновые, и корпускулярные свойства частицы.

В 1993 году группой ученых, возглавляемой Чарльзом Бенеттом, был предложен способ обойти запрет, налагаемый принципом неопределенности. Решение основывалось на теореме квантовой механики, сформулированной еще в 30-х годах и получившей название эффекта Эйнштейна-Подольского-Розена. Согласно этой теореме, когда две частицы контактируют друг с другом, они могут оказаться "сцепленными". В этом сцепленном (или, иначе, "запутанном") состоянии обе частицы остаются частью одной квантовой системы, и все, что происходит с одной из них, влияет на другую, причем это влияние предсказуемо. Группа Бенетта показала, что сцепленные частицы могут служить своего рода проводником: если присоединить к одной из двух сцепленных частиц третью, "информационную", ее свойства можно передавать второй сцепленной.

Эта оригинальная идея нашла свое первое экспериментальное подтверждение в недавних опытах в Инсбруке с лазерными лучами. Австрийским исследователям, возглавляемым Антоном Цойлингером, удалось создать пары сцепленных фотонов и показать, что они могут передавать свою поляризацию от одного фотона другому на расстояниях до 10 километров. Новая серия экспериментов, проведенных коллегой Цойлингера Райнером Блаттом и американскими исследователями под руководством Дэвида Вайнленда, перевела экстравагантную гипотезу Бенетта из разряда научно-фантастических в категорию "весьма перспективных".

И в достигнутой Блаттом и Вайнлендом "атомной" телепортации, и в экспериментах с фотонами Цойлингера речь идет о переносе между различными атомами их "квантовых состояний" (таких как энергия, момент импульса, магнитные характеристики и т. д.), телепортации же самой частицы, т. е. передачи массы, при этом не происходит. Базовая методика проведения этих двух опытов была сходной. "Сам" квантовый перенос информации от атома A к атому В был, в полном соответствии с идеей Бенетта, осуществлен при помощи третьего, "промежуточного" атома C. Обеим группам удалось достичь практически аналогичных показателей точности воспроизведения переносимых квантовых признаков - примерно 75% от исходных данных.

По мнению известных физиков Джеффа Кимбла и Стивена ван Энка, "эти цифры, безусловно, свидетельствуют о большом потенциале использованной обеими группами технологии 'ионной ловушки' в дальнейших исследованиях в области эффективной передачи квантовой информации".