Группа американских физиков из двух университетов, Мэриленда и Мичигана, опубликовала 23 января 2009 года в журнале Science статью, в которой описываются результаты очередного важнейшего эксперимента по квантовой телепортации. По утверждениям исследователей, им наконец удалось осуществить успешную передачу квантовой информации между двумя ионами (заряженными атомами) иттербия, разделенными значительным расстоянием — одним метром.
Для непосвященных новый однометровый рекорд квантовой телепортации может показаться чуть ли не смехотворным, особенно на фоне реляций других групп экспериментаторов, ранее неоднократно сообщавших о «мгновенной переброске» квантовых состояний фотонов на многокилометровых дистанциях. Однако на самом деле речь идет о настоящем научном прорыве.
Во-первых, американцы смогли наглядно продемонстрировать принципиальную возможность телепортирования квантовой информации между изолированными (пойманными в так называемые ионные ловушки и никак не сообщающимися друг с другом) атомами, расстояние между которыми на много порядков больше, чем у их предшественников, оперировавших с ионами лишь в молекулярных масштабах.
Во-вторых, исследовательский коллектив, возглавляемый Кристофером Монроу (Университет Мэриленда), впервые проделал волшебный трюк с квантовой телепортацией двух атомов, обойдясь без помощи третьего атома-посредника.
Достичь этого результата группа Монроу смогла благодаря использованию принципиально нового метода телепортации, в основе которого лежит эмиссия ионами одиночных фотонов, искусственно стимулированная при помощи пикосекундного (10–9 с) лазерного импульса. По словам Кристофера Монроу, «предложенная нами система может стать базисом для последующего конструирования крупномасштабных “квантовых ретрансляторов”, которые свяжут в единую сеть на значительных расстояниях различные формы квантовой памяти».
Оппозиция Великого Альберта
Известный американский популяризатор науки, профессор физики Университета Джорджа Мэйсона Джеймс Трефил в своей книге «Природа науки. 200 законов мироздания» написал, что «появление и бурное развитие квантовой механики открыло перед нами целый мир, системное устройство которого попросту не укладывается в рамки здравого смысла и полностью противоречит нашим интуитивным представлениям».
Как и множество других, куда менее одаренных природой homo sapiens, отнюдь не испытывал большого восторга от «потусторонних» теорий и эффектов, предложенных для описания законов микромира квантовой механикой, и патриарх современной физики Альберт Эйнштейн.
На протяжении многих лет Эйнштейн вел ожесточенную полемику с родоначальниками этой новой физической теории (прежде всего с Нильсом Бором), пытаясь доказать, что она не может использоваться в качестве универсального описания всех явлений микромира. В частности, Эйнштейн протестовал против необходимости описывать явления микромира в терминах вероятностей и волновых функций, а не с привычной («классической») позиции фиксированных координат и скоростей частиц. Именно в этой связи им однажды и была брошена знаменитая фраза «Бог не играет в кости со Вселенной».
В 1935 году Альберт Эйнштейн и два его сотрудника, Борис Подольский и Натан Розен, опубликовали знаменитую статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». В этой статье ими был предложен провокационный мысленный эксперимент, заключающийся в измерении параметров микрообъекта косвенным образом, не оказывая на этот объект непосредственного воздействия (позднее в научном сообществе его назвали эффектом (парадоксом) Эйнштейна-Подольского-Розена, или ЭПР-эффектом).
Этот воображаемый эксперимент довольно быстро породил множество альтернативных версий и интерпретаций, поэтому приведем лишь наиболее простое описание его теоретической схемы, использованное известным американским физиком Полом Дэйвисом в его книге «Суперсила»: «При игре на бильярде, когда шар, по которому игрок ударяет кием, сталкивается с другим шаром, оба они разлетаются в разные стороны. Но их движения не произвольны, а жестко связаны друг с другом законом действия и противодействия — законом сохранения импульса. Измерив импульс одного шара, можно судить об импульсе другого (который может откатиться далеко в сторону), даже непосредственно не наблюдая за ним. Закон сохранения импульса справедлив и для квантовых частиц. Значит, необходимо лишь, чтобы две квантовые частицы, 1 и 2, столкнувшись между собой, провзаимодействовали и разлетелись на большое расстояние. В этот момент можно измерить импульс частицы 1. Зная его, можно, воспользовавшись законом сохранения импульса, точно вычислить импульс частицы 2, которая, собственно, нас и интересует. Измерение импульса частицы 1, разумеется, внесет неопределенность в ее положение, но это несущественно, так как не влияет на положение частицы 2 (а нас интересует именно она), поскольку та находится далеко; в принципе она могла бы располагаться на расстоянии нескольких световых лет. Если в один и тот же момент непосредственно измерить положение частицы 2, то ее положение и импульс станут известны одновременно».
Таким образом, вроде бы можно «ловко обмануть» принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому любая попытка непосредственно точно измерить положение и импульс частицы обречена на провал, так как, когда вы пытаетесь измерить положение частицы, само измерение вносит не поддающиеся контролю изменения в величину импульса частицы (и наоборот, измерение импульса аннулирует всю полученную ранее информацию о положении частицы).
Спустя несколько десятилетий после публикации статьи Эйнштейна-Подольского-Розена (точнее, в 1982 году) французский физик Ален Аспек и его сотрудники смогли-таки осуществить эпохальный эксперимент по практической проверке пресловутого ЭПР-парадокса, в котором одновременно измерялись направления поляризации двух фотонов, испущенных одним и тем же атомом и движущихся в противоположные стороны. И, как с пафосом констатировал Пол Дэйвис, результаты, полученные Аспеком, «не оставляли никакого сомнения: Эйнштейн был неправ. Квантовую неопределенность невозможно обойти. Она — неотъемлемая особенность квантового мира и не может быть сведена к чему-то другому. Наивное представление о реальности частиц, обладающих четко определенными свойствами в отсутствие наблюдений над ними, не выдержало испытания».
Однако, как ни парадоксально, именно этот спекулятивный ЭПР-эффект, который, по мнению самих его авторов, едва ли мог быть практически использован в реальном мире, в начале 90-х годов ХХ века стал идейным фундаментом для новой экзотической теории, разработанной группой из шести физиков (Чарльз Беннет, Жиль Брассар и др.). Беннет и коллеги, к слову, и ввели тогда в научный обиход столь популярный сегодня термин «телепортация», хотя, по большому счету, его заведомо фантастический привкус очевидно сбивает с толку всех неофитов предложенной ими идеи.
Запутать и телепортировать
Беннет со товарищи, заново интерпретировав ЭПР-парадокс, высказали предположение, что для эффективной пересылки информации между различными объектами микромира теоретически возможно использовать особое свойство таких объектов — так называемую сцепленность (или запутанность, по-английски — entanglement) взаимодействующих друг с другом квантовых подсистем (например, элементарных частиц). О том, что подобные квантовые подсистемы при взаимном контакте оказываются неким «мистическим» образом переплетены и между их наблюдаемыми физическими свойствами возникает четкая корреляция, по сути, и говорили Эйнштейн, Подольский и Розен, «выдумывая» свой ЭПР-эффект (другое дело, что они, повторим, и не предполагали, что их теоретический фортель позднее воплотится в архиполезную практическую идею).
Вплоть до начала 90-х годов прошлого века физический мейнстрим фактически отрицал даже саму возможность какой бы то ни было телепортации физических объектов или их свойств, главным образом потому, что телепортация (удаленное клонирование) противоречит все тому же базовому принципу квантовой механики — невозможности точного одновременного измерения всех характеристик атома или других объектов микромира. А раз нельзя получить точную (исчерпывающую) информацию об объекте, то невозможно и создать его стопроцентную копию.
Но удивительное квантово-механическое явление сцепленности-запутанности, основывающееся на реализации ЭПР-эффекта, вдохнуло новую жизнь в еще недавно казавшиеся чисто умозрительными конструкции. В частности, в красивую идею о возможности квантовых вычислений (передачи квантовой информации) и создания квантовых компьютеров, впервые высказанную советским математиком Юрием Маниным в 1980 году и фактически продублированную в 1982-м знаменитым американским физиком-теоретиком Ричардом Фейнманом.
Благодаря влиянию эффекта сцепленности-запутанности в квантовой системе, состоящей из двух (или более) взаимодействующих подсистем, измерение значения какой-либо физической величины (например, проекции спина электрона на какую-то ось или поляризации фотона) у одной из «запутанных» частиц парадоксальным образом заведомо определяет результат измерения и у второй частицы, которое проводится в тот же момент времени совершенно в другой точке пространства (так называемый феномен «квантовой нелокальности»). Иными словами, эти измерения оказываются коррелированными даже после того, как частицы удалятся друг от друга на любое расстояние.
В квантово-механической теории такую связанную систему можно описать некоей волновой функцией. Причем когда взаимодействие прекращается и частицы разлетаются, их по-прежнему будет описывать та же функция. И хотя при этом состояние каждой отдельной частицы неизвестно (это вытекает из принципа неопределенности), когда одна из них попадает в приемник, регистрирующий ее параметры, у другой одномоментно появляются соответствующие характеристики. То есть, в принципе, становится возможной мгновенная пересылка квантового состояния частицы на неограниченно большое расстояние.
На этом, собственно, и основывается теоретическая схема квантовой телепортации, впервые предложенная Чарльзом Беннетом и его коллегами. Однако сверхсветовая передача сигнала по этой схеме все-таки невозможна, поскольку обязательным этапом при квантовой телепортации является передача части информации по классическому, неквантовому каналу связи (например, через волоконную оптику). Иными словами, квантовая телепортация должна осуществляться за счет разделения информации на «квантовую часть» и «классическую часть» и независимой передачи этих двух компонент.
Практическая история квантовой телепортации
Квантовая телепортация была впервые экспериментально реализована в 1997 году группой австрийских исследователей из Университета Инсбрука под руководством Антона Цойлингера с использованием поляризованных фотонов в качестве кубитов (кубиты — элементарные векторы состояния системы, минимальные единицы квантовой информации). Цойлингер и его коллеги создали пары сцепленных (запутанных) фотонов и показали, что они могут передавать свою поляризацию от одного фотона другому.
В самом упрощенном виде примененную ими схему квантовой телепортации можно представить в следующем виде: 1) экспериментаторам с условными именами Алиса и Боб посылается по одному фотону из пары предварительно запутанных фотонов; 2) у Алисы, в свою очередь, имеется фотон, пребывающий в состоянии A (которое ей неизвестно); 3) фотон Алисы и посланный ей фотон из пары взаимодействуют и, в результате этого, также «сцепляются» («запутываются»); 4) Алиса производит измерение и определяет состояние системы из двух фотонов, оказавшейся у нее. При этом первоначальное состояние A фотона Алисы разрушается. Но зато в состояние A одномоментно переходит тот фотон из «первоначально зацепленной пары», который был послан Бобу. Правда, о том, что акт телепортации уже произошел, Бобу неизвестно, то есть далее необходимо, чтобы 5) Алиса сообщила ему об этом обычным («классическим») способом.
Достигнув первых обнадеживающих успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы позднее сосредоточили основные усилия на более сложных и, что особенно важно для практических целей, более долгоживущих и стабильных объектах микромира — электронах, атомах и ионах (заряженных атомах).
В 2004 году две независимые группы физиков, все те же австрийцы из Университета Инсбрука, на этот раз во главе с коллегой Цойлингера Райнером Блаттом, и американцы из Национального института стандартов и технологий (NIST, Боулдер, штат Колорадо, руководитель — Дэвид Вайнленд) впервые продемонстрировали возможность телепортации квантовых состояний атомов. В этих экспериментах в качестве «запутанной пары» использовались уже ионы (два «исходных» и третий как посредник в передаче информации; австрийцы использовали ионы кальция, а американцы — бериллия). Причем обеим группам удалось тогда достичь практически аналогичных показателей точности воспроизведения переносимых квантовых признаков — примерно 75% от исходных данных.
Базовый экспериментальный метод, предложенный в 2004 году, — использование в качестве кубитов ионов, захваченных в так называемые ионные ловушки (эти ловушки создаются в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях лазерного охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю), — оказался весьма перспективным. Последний по времени эксперимент, проведенный сдвоенной командой исследователей из Мэрилендского и Мичиганского университетов, во многом основывался на методиках, апробированных группами Блатта и Вайнленда. Впрочем, Кристофер Монроу, Стивен Ольмшенк и Ко смогли существенно усовершенствовать технологию квантовой телепортации, предложив, по сути, ее принципиально новый механизм.
Ионно-фотонный ансамбль
В отличие от Блатта и Вайнленда, в опытах которых ловушка была общей для захваченных ионов, группе Монроу-Ольмшенка удалось успешно изолировать «свои» ионы иттербия в отдельных вакуумных камерах, окруженных мощными электромагнитными полями и никак не сообщавшихся друг с другом.
Каждый из пойманных ионов, находившихся в основном квантовом состоянии (с наименьшим энергетическим уровнем), вначале подвергся воздействию микроволнового лазерного пучка, благодаря чему ионы были переведены в состояние суперпозиции двух квантовых состояний.
Далее эти ионы вторично возбуждались лазером, но на этот раз — сверхбыстрым (пикосекундным) импульсом, параметры которого были специально подобраны таким образом, чтобы каждый из облучаемых ионов смог испустить лишь один световой фотон и затем, потеряв энергию, вернуться к своему первоначальному квантовому состоянию. Причем в зависимости от того, в какое из двух возможных основных состояний возвращались ионы, посланные ими одиночные фотоны получали один из двух возможных цветов (красный или синий), точно коррелировавших с этими квантовыми состояниями ионов (то есть ионы и фотоны взаимно «запутывались» друг с другом).
Эмитированные одиночные фотоны захватывались линзами, перенаправлявшими их по отдельным волоконно-оптическим каналам из ионной ловушки к противоположным сторонам светоделителя, при контакте с которым они имели равные шансы (50 на 50) пройти сквозь него или быть отраженными. Наконец, по обеим сторонам светоделителя были размещены детекторы, фиксирующие «прибытие» эмитируемых фотонов.
До контакта со светоделителем каждый из фотонов, согласно квантовой теории, находился в суперпозиции возможных состояний (красный или синий). Однако в момент контакта эти фотоны переходили в одну из четырех «цветовых комбинаций», в случае возникновения трех из которых детекторы улавливали лишь единичные события и только в одном, самом ценном для экспериментаторов (красно-белая комбинация), одновременно фиксировали оба фотона. Именно такое, крайне редкое детектирование означало, что и пославшие их ионы «сцеплялись» друг с другом.
Для долгожданной поимки первой сцепленной пары фотонов исследователям пришлось прождать целых три недели (и это несмотря на то, что эмиссия одиночных фотонов происходила в ионных ловушках по нескольку тысяч раз в секунду!). Когда же наконец столь нужный результат был получен, ученые немедленно произвели измерения состояния иона А. Благодаря так называемой редукции волновой функции (мгновенное изменение описания квантового состояния — волновой функции — объекта, происходящее при его измерении) квантовая информация, которую содержал этот ион, разрушалась, но «сцепленный» с ним ион В мгновенно переходил в то состояние, которым обладал до измерения ион А, то есть как бы превращался в ион А, завершая тем самым процесс квантовой телепортации.
Приведенное нами описание эксперимента группы Монроу-Ольмшенка, разумеется, несколько упрощено. Однако суть эксперимента от этого, думается, не потерялась: разделенные метровым расстоянием ионы успешно обменялись при помощи фотонов квантовой информацией.
Как отметил руководитель эксперимента Кристофер Монроу, «одним из наиболее привлекательных аспектов предложенного нами нового метода следует считать то, что он успешно совмещает уникальные физические преимущества фотонов и ионов. Быстрые фотоны — идеальные переносчики информации на большие расстояния, тогда как атомы (ионы) — прекрасные запоминающие устройства-хранители информации (долгоживущей квантовой памяти)».
О высокой перспективности таких систем, использующих ионные ловушки, для дальнейшей разработки квантовых компьютеров будущего сегодня говорят и многие коллеги Монроу, непосредственно не участвовавшие в эксперименте. Так, работающий в Университете штата Вашингтон по схожей тематике Борис Блинов отвесил дежурный реверанс, констатировав, что «теперь, благодаря экспериментам Монроу и Ольмшенка, нам удалось сделать еще один очень важный шаг на пути к столь труднодостижимой цели (созданию полнофункционального квантового компьютера)». Однако рассчитывать в скором времени на долгожданную практическую отдачу от подобных научно-познавательных опытов по-прежнему не следует: несмотря на достигнутый за последние годы значительный прогресс в исследованиях механизма квантовой телепортации, для построения эффективно работающих прототипов квантового компьютера ученым еще потребуется преодолеть немало проблем технического порядка.
