Всё, что нужно знать про квантовую телепортацию

Краткая версия

С помошью «телепортации» из фантастики персонажи художественных произведений телепортируют что угодно, включая людей. В данный момент ученые не рассматривают появление такой технологии всерьез. В рамках же квантовой телепортации можно передать только информацию о частице, если точнее – ее квантовое состояние.

Таким образом, квантовая телепортация – это способ переноса информации о какой-либо частице (фотоне, атоме) на другую частицу без перемещения этой частицы в пространстве. Главный «ингредиент» этого процесса – состояние квантовой запутанности, которое делает частицы взаимозависимыми на любых расстояниях.

Успешный перенос квантового состояния с одной частицы на другую можно применить в технологиях квантовой связи, что позволит создать невзламываемый тип коммуникации – из-за особенностей квантового мира хакер, решивший перехватить и изучить квантовую информацию, получит искаженную версию, которую вряд ли сможет использовать. В АСИ хотят внедрять именно квантовую телепортацию – в частности, интерес к этой технологии проявляют банки и структуры безопасности.

Теперь подробнее

В нашем мире абсолютно все состоит из элементарных частиц. Даже взаимодействия между частицами состоят из особых частиц (бозонов). Все частицы при этом обитают в квантовом мире – на недоступном глазу микроуровне, где законы физики очень сильно отличаются от привычных человеку.

Одно из таких явлений, которому невозможно подобрать аналог в нашем «обычном» мире, – это квантовая запутанность. Представьте – между частицами появляется таинственная и очень хрупкая связь, которая делает их взаимозависимыми на абсолютно любых расстояниях без каких-либо видимых взаимодействий. Измерив квантовое состояние одной частицы из такой пары, исследователь всегда может точно предсказать состояние другой.

Именно это явление лежит в основе феномена квантовой телепортации, который активно изучается с первых удачных экспериментов в 1990-х годах.

Рецепт квантовой телепортации

Есть распространенный пример, который обычно приводят для объяснения квантовой телепортации.

Ученым требуется:

• Частица А, квантовое состояние которой нужно передать;
• Две запутанные частицы B и C, представляющие собой квантовый канал связи;
• Традиционный канал связи – в случае фотонов для этого используется оптоволоконный кабель.

Допустим, ученые используют фотоны – частицы, из которых состоит свет. Сначала исследователи «запутывают» пару фотонов (как они это делают – отдельная тема, но об одном из способов можно почитать здесь).

Затем запутанные частицы разносят на необходимое расстояние – так, чтобы в одном месте остались фотоны A и B, а в другом – C. Между двумя пунктами проводят оптоволоконный кабель. Отметим, что максимальное расстояние, на котором производилась квантовая телепортация, составляет уже более 100 км.

Задача – передать квантовое состояние незапутанной частицы А частице C. Для этого ученые измеряют квантовое свойство фотонов А и B. Результаты измерений затем превращают в бинарный код, который рассказывает о различиях между частицами А и B.

Этот код затем передают по традиционному каналу связи – оптоволокну, и получатель сообщения на другом конце кабеля, который обладает частицей C, использует эту информацию как инструкцию или ключ для манипуляций с частицей C – по сути, восстанавливая с помощью частицы C состояние, которое было у частицы A. В результате частица C копирует квантовое состояние частицы А – информация телепортирована.

Для чего все это нужно

В первую очередь квантовую телепортацию планируется применять в технологиях квантовой связи и квантовой криптографии – защищенность такого типа коммуникаций выглядит привлекательно и для бизнеса, и для государства, а использование квантовой телепортации позволяет избежать потери информации при движении фотонов по оптоволокну.

К примеру, недавно стало известно об успешной передаче квантовой информации между двумя офисами «Газпромбанка» в Москве по оптоволокну длиной 30,6 километра. Проект, над которым работал Российский квантовый центр (РКЦ), и в который «Газпромбанк» и Министерство образования и науки РФ вложили 450 млн рублей, фактически оказался первой «городской» линией квантовой связи в России.

Другое направление ˜– это квантовые компьютеры, где запутанные частицы могут использоваться в качестве кубитов – единиц квантовой информации.

Еще одна идея – это «квантовый интернет»: целая сеть коммуникаций, основанная исключительно на квантовой связи. Для реализации этого концепта, впрочем, исследователям необходимо «научиться переносить квантовые состояния между объектами различной физической природы — фотонами, атомами, квантовыми точками, сверхпроводящими цепями и так далее», отмечал в разговоре с изданием N+1 сотрудник РКЦ и профессор Университета Калгари Александр Львовский.

Отметим, что в данный момент ученые телепортируют в основном состояния фотонов и атомов; более крупные объекты телепортировать пока не удалось.

Квантовая телепортация как «та самая» телепортация

Судя по всему, гипотетически квантовую телепортацию все-таки можно использовать для создания копий крупных объектов, включая человека – ведь организм тоже состоит из атомов, квантовые состояния которых можно телепортировать. Однако на современном этапе развития технологий это считают невозможным и относят к области фантастики.

Фото на обложке: Pixabay