Что такое квантовая телепортация и возможно ли ее применить для мгновенного переноса макрообъектов? Не противоречит ли квантовая телепортация принципам релятивистской причинности? О связях классической и квантовой реальности делают выводы профессор Римского университета Луиджи Аккарди и доктор физико-математический наук Игорь Волович.
Л. Аккарди — один из наиболее известных итальянских ученых, создатель квантовой теории вероятностей, руководит рядом европейских научных проектов, включающих, в частности, теоретическое и экспериментальное исследование квантовой телепортации. И. Волович — известный российский ученый, специалист в области математической физики и р-адического анализа, исследовал роль пространственно-временных параметров в описании зацепленных состояний, что привело к новому подходу в телепортации квантовых состояний.
Первые идеи зародились сразу же после работ Планка, Эйнштейна, де Бройля, Бора и других основателей квантовой физики. Существенное развитие эти идеи получили с созданием квантовой механики в представлениях Шредингера и Гейзенберга. Всевозможные мысленные эксперименты, проводимые с квантовыми объектами, зачастую вели к явным парадоксам.
В 1935 году А. Эйнштейн и его сотрудники Б. Подольский и Н. Розен высказали идею, суть которой на примере элементарных частиц сводится к тому, что квантовые объекты, в качестве которых могут быть, например, два связанных фотона, в процессе разделения сохраняют некое подобие информационной связи (эффект «спутывания», «связывания» — entangled). При этом квантовое состояние одного, например поляризация или спин, может мгновенно передаваться на другой фотон, становящийся при этом аналогом первого, который коллапсирует, исчезает. И наоборот. Расстояние между фотонами может быть любым.
Это было названо эффектом, парадоксом, или каналом, Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР). В качестве синонима этого феномена принят также термин квантовая нелокалъностъ (Quantum NonLocality), подчеркивающий мгновенную распределенность, нелокальность в пространстве состояний связанных по квантовым состояниям элементарных частиц.
Стоит подробнее пояснить, что подразумевается под словами зацепленное состояние, о котором пойдет речь ниже. Имеется в виду система, состоящая из двух взаимодействующих подсистем (например, частиц), которая в какой-то момент времени распадается на две невзаимодействующие подсистемы.
Для такого зацепленного состояния значение какой-либо физической величины (например, проекции спина электрона на какую-то ось или поляризации фотона) не определено ни для одной из подсистем. Однако если мы произведем измерение одной из подсистем и определим значение выбранной физической величины, то с достоверностью будем знать значение этой физической величины и для другой подсистемы.
Примером системы, находящейся в зацепленном состоянии, являются два фотона, появившиеся в результате спонтанного параметрического распада фотона, распространяющегося в среде с квадратичной нелинейностью (например, в кристалле ВаВ2О4). Для зацепленных фотонов нельзя указать, какова поляризация каждого из фотонов пары. Если же произвести измерения одного фотона и тем самым определить его поляризацию, то и поляризация другого фотона также станет определенной. Стоит подчеркнуть, что производя измерения одной частицы, мы в тот же момент определяем и состояние другой, как бы далеко эти частицы друг от друга ни находились. Таким образом, связь между частицами носит принципиально нелокальный характер.
С позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некой волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать та же функция. Но состояние каждой отдельной частицы не известно в принципе: это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в приемник, регистрирующий ее параметры, у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными) соответствующие характеристики. То есть возможна мгновенная «пересылка» квантового состояния частицы на неограниченно большое расстояние. Телепортации самой частицы, передачи массы при этом не происходит.
Похожим образом ведет себя разорвавшийся на две части снаряд: если до взрыва он был неподвижен, суммарный импульс его осколков равен нулю. «Поймав» один осколок и измерив его импульс, можно мгновенно назвать величину импульса второго осколка, как бы далеко он ни улетел.
Казалось бы, нарушается принцип причинности — следствие и причина не разделены временем, если понимать время как способ организации последовательности событий. Поэтому Эйнштейн и соавторы оценивали свою чисто теоретическую модель как неприложимую к практике, эксперименту. Это противоречие теории и видимой физической реальности длилось около 30 лет, хотя Н. Бор и многие другие физики полагали, что никакой проблемы здесь вообще нет.
Действительно, в рамках классического подхода, после того как система распалась на составные части, никакое воздействие на одну из частей не может изменить состояние другой части, если частицы не взаимодействуют. И более того, поскольку скорость распространения сигнала не может превышать скорости света, то при определенных условиях — в рамках классического подхода — воздействие на одну часть системы никоим образом не может повлиять на другую часть системы.
В математическом виде это утверждение было сформулировано Дж. Беллом в 1964 году в виде так называемых неравенств Белла, нарушение которых означает невозможность описать систему классическим образом и свидетельствует в пользу вероятностной трактовки квантовой механики.
Вопрос о квантовой телепортации впервые был поставлен в 1993 году группой Ч. Беннета, которая, используя парадокс ЭПР, показала, что в принципе сцепленные частицы могут служить своего рода транспортом. Посредством присоединения третьей — информационной — частицы к одной из сцепленных частиц можно передавать ее свойства другой, причем даже без измерения этих свойств.
Экспериментальная реализация ЭПР-канала была осуществлена работами двух групп ученых — австрийскими исследователями из университета в Инсбруке, возглавляемыми Антоном Цойлингером, и итальянскими, из университета «La Sapienza» в Риме, под руководством Франческо Де Мартини. Опыты групп Цогшингера и Де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике для передачи через световоды состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстояниях до 10 километров.
В эксперименте неполяризованный свет, проходящий через кристалл, расщепляется на два поляризованных во взаимно перпендикулярном направлении луча. В оптическом смесителе фотон взаимодействовал с одним из пары связанных фотонов. Между ними, в свою очередь, возникала квантово-механическая связь, приводящая к поляризации новой пары.
Согласно законам квантовой механики, фотон не имеет точного значения поляризации, пока она не измерена детектором. Таким образом, измерение преобразует набор всех возможных поляризаций фотона в случайное, но совершенно конкретное значение. Измерение поляризации одного фотона связанной пары приводит к тому, что у второго фотона, как бы далеко он ни находился, мгновенно появляется соответствующая — перпендикулярная ей — поляризация.
Если к одному из двух исходных фотонов «подмешать» посторонний фотон, образуется новая пара, новая связанная квантовая система. Измерив ее параметры, можно мгновенно передать сколь угодно далеко — телепортировать — направление поляризации уже не исходного, а постороннего фотона. В принципе, практически все, что происходит с одним фотоном пары, должно мгновенно влиять на другой, меняя его свойства вполне определенным образом. Однако на практике такая связь достаточно чувствительна к внешним воздействиям, поэтому необходимо изолировать частицы от внешних влияний.
В результате измерения второй фотон первоначальной связанной пары также приобретал некоторую фиксированную поляризацию: копия первоначального состояния фотона-посланника передавалась удаленному фотону. Наиболее сложно было доказать, что квантовое состояние действительно телепортировано: для этого следовало точно определить, как установлены детекторы при измерении общей поляризации, и тщательно синхронизовать их.