Шрифт:
Отметим также пару ключевых свойств квантовой телепортации. Поскольку оригинальное квантовое состояние Фотона А было нарушено моим измерением, Фотон С в Лондоне теперь является единственным в этом оригинальном состоянии. Нет двух копий оригинального Фотона А, так что вместо того, чтобы называть это квантовым факсом, на самом деле более точно называть это квантовой телепортацией. [4] Более того, даже если мы телепортируем фотон А из Нью-Йорка в Лондон, – даже если фотон в Лондоне станет неотличим от исходного фотона, который мы имели в Нью-Йорке, – мы не узнаем квантового состояния Фотона А. Фотон в Лондоне имеет точно такую же вероятность ориентации спина в том или ином направлении, какую Фотон А имел перед моим вмешательством, но мы не знаем, что это была за вероятность. Фактически, в этом фокус, лежащий в основе квантовой телепортации. Нарушение, вызванное измерением, не дает нам определить квантовое состояние Фотона А, но в описанном подходе мы не нуждаемся в знании точного квантового состояния фотона, чтобы телепортировать его. Мы нуждаемся в знании только одного аспекта его квантового состояния – что мы и узнали из совместного измерения с Фотоном В.
4. Фактически, склонный к математике читатель заметит, что не трудно доказать так называемую теорему об отсутствии квантового клонирования. Представьте, что мы имеем унитарный оператор клонирования U, который берет любое данное состояние на входе и производит две его копии на выходе (U отображает |> –> |>|> для любого исходного состояния |>). Заметим, что U, действуя на состояние, подобное (|> + |>), дает (|>|> + |>|>), которое не есть двойная копия оригинального состояния (|> + |>)(|> + |>), а потому не существует такого оператора U, чтобы преуспеть в квантовом клонировании. (Это впервые было показано Вутерсом и Зуреком в начале 1980х).
Квантовое запутывание с удаленным Фотоном С дополняет остальное.
Осуществление этой стратегии квантовой телепортации было немалым подвигом. В ранние 1990е создание запутанной пары фотонов было стандартной процедурой, но проведение совместного измерения двух фотонов (совместного измерения на Фотонах А и В, описанное выше, технически называющееся измерением состояния Белла) никогда не удавалось. Достижение обеих групп Зейлингера и Де Мартини было в изобретении хитроумной экспериментальной техники для совместного измерения и в осуществлении его в лаборатории. [5] К 1997 они достигли этой цели, став первыми группами, добившимися телепортации отдельной частицы.
5. Многие исследователи включали в разработку как теорию, так и экспериментальное осуществление квантовой телепортации. В добавление к таким, обсужденным в тексте работам, чтобы назвать несколько, важную часть в римских экспериментах сыграл труд Санду Попеску во время его работы в Кембриджском Университете, а группа Джеффри Кимбла в Калифирнийском Технологическом Институте впервые провела телепортацию непрерывных свойств квантового состояния.
Практическая телепортация
Поскольку вы, и я, и ДеЛорен и все другое состоит из многих частиц, естественный следующий шаг заключается в том, чтобы представить применение квантовой телепортации к таким большим коллективам частиц, позволив нам "излучить" макроскопический объект из одного места в другое. Но прыжок от телепортации одной частицы к телепортации макроскопического собрания частиц ставит в тупик и находится чрезвычайно далеко за пределами того, что исследователи могут сегодня совершить и что многие лидеры в этой области представляют достижимым даже в отдаленном будущем. Но на потеху, как фантастически мечтает Зейлингер, мы можем представить, как однажды достичь этого.
Представим, что я хочу телепортировать ДеЛорен из Нью-Йорка в Лондон. Вместо того, чтобы обеспечить Николаса и меня, каждого одним участником запутанной пары фотонов (что нам было нужно для телепортации отдельного фотона), каждый из нас должен иметь камеру с частицами, содержащую достаточно фотонов, нейтронов, электронов и так далее, чтобы построить ДеЛорен, причем все частицы в моей камере должны быть квантово запутаны со всеми ими в камере Николаса (см. Рис. 15.1). Мне также нужен прибор, который измеряет совместные свойства всех частиц, составляющих мой ДеЛорен, с теми частицами, которые собраны в моей камере (аналог измерения совместных свойств Фотонов А и В). Через запутывание частиц в моей камере влияние совместных измерений, которые я провожу в Нью-Йорке, будет отпечатано на частицах камеры Николаса в Лондоне (аналоге состояния Фотона С, отражающего совместное измерение А и В). Если я звоню Николасу и сообщаю результаты моих измерений (это будет дорогостоящий звонок, так как я передам Николасу около 1030 результатов), эти данные будут инструктировать его о том, как манипулировать частицами в его камере (почти как мой более ранний телефонный звонок проинструктировал его, как манипулировать Фотоном С). Когда он закончит, каждая частица в его камере будет в точности в том квантовом состоянии, как и каждая соответствующая частица в ДеЛорене (до того, как он подвергся любым измерениям), так что, как и в нашем предыдущем обсуждении, Николас теперь будет иметь ДеЛорен.* Его телепортация из Нью-Йорка в Лондон будет завершена.
(*) "Для коллектива частиц – в отличие от индивидуальной частицы – квантовое состояние также кодирует взаимоотношения каждой частицы в коллективе с каждой другой. Так что для точно воспроизведенного квантового состояния частиц, составляющих ДеЛорен, мы подразумеваем, что все они находятся в том же отношении к каждой другой, как и в оригинале; единственное отличие, которое они проявляют, это что их общее положение будет сдвинуто из Нью-Йорка в Лондон."
Рис 15.1 Фантастический подход к телепортации воображает наличие двух удаленных друг от друга камер с квантово запутанными частицами и предполагает проведение подходящих совместных измерений частиц, составляющих объект, который должен быть телепортирован, с частицами в одной из камер. Результат этого измерения должен затем обеспечить необходимую информацию, чтобы произвести действия с частицами во второй камере для воспроизведения объекта и завершения телепортации.
Заметим, однако, что на сегодняшний день каждый этап в этой макроскопической версии квантовой телепортации фантастичен. Объект, подобный ДеЛорену, имеет в избытке миллиарды миллиардов миллиардов частиц. Хотя экспериментаторы развлекаются с оборудованием, запутывающим более одной пары частиц, они экстремально далеки от достижения количества, соответствующего макроскопическим сущностям. [6] Установка двух камер запутанных частиц, таким образом, находится до смешного далеко за пределами сегодняшней досягаемости. Более того, совместное измерение двух фотонов было само по себе тяжелым и впечатляющим подвигом. Распространение его на совместное измерение миллиардов и миллиардов частиц является на сегодняшний день невообразимым.
6. По поводу экстремально интересного прогресса в запутанных многочастичных системах см., например, B. Julsgaard, A. Kozhekin, and E. S. Polzik, "Experimental long-lived entanglement of two macroscopic objects," Nature 413 (Sept. 2001), 400-403.
С нашей сегодняшней точки зрения, непредвзятая оценка должна привести к заключению, что телепортация макроскопического объекта, по крайней мере способом, на сегодняшний день примененным для отдельной частицы, удалена от нас на эпохи – если не на вечность.
Но, поскольку единственной неизменной вещью в науке и технологии является превосходство голосов "против" от массы предсказателей над голосами "за" энтузиастов, я просто отмечу очевидное: телепортация макроскопических тел выглядит маловероятно. Хотя, кто знает? Сорок лет назад компьютер Энтерпрайза тоже выглядел достаточно маловероятным. [7]
7. Одна из самых воодушевляющих и активных областей исследований, использующих квантовое запутывание и квантовую телепортацию, есть поле квантовых компьютеров. По поводу недавней презентации квантовых компьютеров на общем уровне см. Tom Siegfried, The Bit and the Pendulum (New York: John Wiley, 2000), и George Johnson, A Shortcut Through Time (New York: Knopf, 2003).*
(*) "Стоит отметить также и такое направление практического использования квантовой телепортации, развивающееся с середины 1980х, как квантовая криптография. Идея, грубо, в использовании телепортируемого квантового состояния в качестве криптографического ключа, открывающего доступ к зашифрованной информации, которая передается по обычным каналам связи. Такой ключ, как квантовый объект, не может быть перехвачен или скопирован без его разрушения, в отличие от обычных алгоритмических ключей. – (прим. перев.)"