Наука

  ▪   Олег Фея

Труднощі телепортації

Наприкінці минулого року наукові групи з Великої Британії та Данії опублікували в журналі Nature Physics результати свого дослідження, у якому змогли налагодити процес квантової телепортації між двома кремнієвими мікрочипами. І це технологічний прорив
Матеріал друкованого видання
№ 3 (635)
від 16 січня

Сама назва «квантова телепортація» викликає асоціації з фантастичними фільмами — миттєве перенесення персонажів або об’єктів на велику відстань. Чарльз Беннет, який у 1993-му запровадив цей термін, пише, що надихався саме науковою фантастикою. І зазначає, що на відміну від телепортації з фантастичних стрічок квантова телепортація не порушує законів фізики. Підґрунтя відкриття заклав у 1930-х роках Альберт Айн­штайн, який використовував слова «телепатія» і «жахлива дальнодія» — сміливі припущення лякали великого науковця, адже йшли врозріз із теорією відносності.


Хоча праці Айнштайна стали класичними у квантовій механіці, та й самим словом «квант» наука завдячує йому, фізик ставився до неї з недовірою. Особливо йому муляв принцип невизначеності Гайзенберґа, згідно з яким неможливо одночасно точно виміряти пари параметрів квантових частинок, такі як швидкість і положення в просторі. У 1935 році разом із Борісом Подольським і Натаном Розеном він написав важливу статтю, у якій намагався показати несумісність принципу невизначеності з реальністю. В уявному парадоксі Айнштайна — Подольського — Розена виміри проводяться над парою частинок, які в певний момент взаємодіяли, а потім віддалилися на чималу відстань. Айнштайн зауважував, що, визначаючи координату однієї з них, можна розрахувати її для другої, а потім установити швидкість іншої та вирахувати її для першої. І таким чином обійти принцип невизначеності, отримавши всі необхідні параметри для кожної частинки. Проте це дає й інший ефект: навіть коли частинки не взаємодіють, вимірювання стану однієї з них впливає на стан іншої! Миттєво. Порушуючи сакральну для Айнштайна теорію відносності, де будь-яка взаємодія обмежена швидкістю світла. Це явище Айнштайн через десятиліття назвав «жахливою дальнодією» і наводив як приклад парадоксальності та неідеальності нової науки. Ервін Шредінґер придумав іншу назву, що й укорінилася у фізиці: квантова заплутаність.

 

Читайте також: Лекції в барах


Через кілька місяців у тому самому журналі Нільс Бор опублікував відповідь на статтю Айнштайна, ніби в насмішку обравши той самий заголовок «Чи можна вважати опис реальності квантовою механікою повним?». Двобій великих науковців розтягнувся на десятки років. Бор заперечував принципи вимірів, які описав Айнштайн у своїй статті, й став на захист «жахливої дальнодії». Врешті-решт виявилося, що він мав рацію, а заплутаність частинок стала основою іншого явища — квантової телепортації. Проте ні Бор, ні Айнштайн не дожили до вирішення своєї суперечки: наявність квантової заплутаності й відповідно перемогу Бора підтвердили лише в 1980-х роках експерименти француза Алена Аспе, який зміг перевірити нерівності Белла. Ірландський фізик Джон Белл 1964 року записав систему нерівностей, що мала покласти край суперечці Айнштайна й Бора. Розв’язок нерівностей давав відповідь, чи справді все у квантовій механіці відбувається виключно імовірно, чи є деякі приховані параметри (як вважав Айнштайн), які задають наперед результати вимірів.


Науковець із лабораторії IBM Чарльз Беннет у 1993 році описав телепортацію на прикладі двох співрозмовників, Аліси та Боба (ці імена часто використовують у наукових статтях замість безликих величин А і Б). В Аліси є фотон, який вона хоче переслати Бобу, але напряму цього не може зробити. Фотон, квант світла — це електромагнітна хвиля, що коливається перпендикулярно до напрямку руху. Як гітарна струна, по якій вдарив музика. Напрямок коливання хвилі — це поляризація. Якщо джерело світла створило два взаємопов’язані, заплутані фотони, то їхні поляризації мають бути перпендикулярними, доповнювати одна одну. Тоді якщо один із них після в­имірів має вертикальну поляризацію, то поляризація іншого миттєво стане горизонтальною. Попри побоювання Айнштайна, закони теорії відносності не порушуються: швидше за світло не можна передавати інформацію. Та в таких вимірах інформація й не передається, адже невідомо заздалегідь, яку поляризацію мають фотони.


До вимірів поляризації кожного з фотонів перебувають у стані суперпозиції, тобто із деякою імовірністю можна отримати одну чи іншу. Процес вимірювання руйнує суперпозицію, дає лише один із можливих станів. Приміром, фотон перебуває у вертикальній поляризації з імовірністю 20%, а в горизонтальній — 80%. От ці ймовірності можна обчислити, якщо виміряти кілька сотень однакових фотонів. Та в Аліси є лише один, унікальний, фотон, який вона хоче відправити Бобу, не зруйнувавши суперпозиції. Беннет придумав на цей випадок схему з кількох кроків.


Аліса та Боб отримують по одному із заплутаних фотонів, назвемо їх фотони B і С. Щоб передати стан невідомого фотона А Бобу, Аліса вимірює стани Белла цього фотона й фотона B. Фотон С, який є у Боба, набуває деякого стану. Після цього Аліса та Боб зв’язуються за класичним каналом (списуються по інтернету або зідзвонюються) і діляться результатами своїх вимірів. Знаючи інформацію від Аліси, а також нерівності Белла, Боб завдяки маніпуляціям із вимірювальним пристроєм може налаштувати свій фотон С так, щоб він набув точно такого стану, як і фотон А. Останній зникає через теорему про заборону клонування у квантовій фізиці: не можна створити два однакові стани частинок. І в Боба опиняється точна копія фотона А.

 

Читайте також: Планшети у навчальному процесі: «за» та «проти»

 

«Телепортувати» таким чином навіть атом неможливо — занадто багато різних станів він може набувати. Не кажучи вже про великі об’єкти або ж людей. Навіть якщо вдасться телепортувати окремі атоми, навряд чи можливо створити дві квантово заплутані людини, щоб перенести на одну з них властивості третьої. Проте навіть така телепортація, відмінна від наукової фантастики, забезпечує великі технологічні перспективи.


Телепортація відкриває можливості квантової криптографії. Найпростіший протокол полягає в тому, що відправник надсилає велику кількість фотонів певної поляризації, наприклад горизонтальної, вертикальної, а також двох повернутих на 45°. Одержувач обирає навмання поляризатори, за якими вимірює поляризацію фотонів. Наприклад, налаштований на горизонтальну та вертикальну поляризацію прилад прийме лише відповідні фотони. Результат вимірювання повернутих на 45° фотонів буде випадковим, із імовірністю 50% вони набудуть або горизонтального, або вертикального стану. Після чого одержувач за класичним каналом зв’язку каже відправникові, які поляризатори він обрав, а той підтверджує, чи правильно це зроблено. Частину інформації, яку одержувач втратив через неправильно обраний поляризатор, відправник надсилає через класичний канал. Такий протокол має високий ступінь надійності: якщо хтось вирішить підслухати канал квантового зв’язку й залишитися непоміченим, він має відправити далі той самий набір фотонів, що й відправник. Зробити це неможливо, адже шпигун не знає, які поляризатори треба обрати, а отже, які фотони були надіслані.

 


Якщо надсилати фотони оптичними кабелями, велика кількість інфо­­рмації буде втрачена й більш як на десятки кілометрів квантовий шифрований зв’язок установити не вдасться. Телепортація якраз усуває ці труднощі, адже теоретично передавати таким чином фотони можна на будь-яку відстань, миттєво й без втрати даних.


Вперше телепортувати стан фотона на невелику відстань змогла дослідницька група Антона Цайлінґера, нині президента Австрійської академії наук, у 1997-му. Через сім років відстань зросла вже до 600 м, для телепортації використовували оптичний дріт. У 2012-му фотони вдалося телепортувати на 143 км між двома обсерваторіями на Канарських островах. У 2016-му Китай та Австрія запустили супутник «Мо-Цзи», що вміє приймати й передавати заплутані фотони. Через рік Антон Цайлінґер здійснив перший квантовий відеодзвінок президентові Китайської академії наук. Зв’язок установили між обсерваторіями в Граці та Синлуні. Дані передавалися звичайним способом і шифрувалися за допомогою квантових протоколів. На сьогодні це рекорд для квантової телепортації — більше ніж 7000 км.

 

Читайте також: Великий стрибок 2.0


Наразі все пов’язане з квантовою телепортацією — це суто лабораторна наука, що потребує дорогих, великих і складних дослідницьких пристроїв. Винайдена торік можливість телепортації між двома мікросхемами може це змінити й наблизити час комерційного використання квантових технологій. Науковці з Бристольського університету та Данського технічного університету створили систему з двох мікросхем, передавача та приймача, які жодним чином не контактували між собою. Для тесту вони телепортували шість окремих фотонів із точністю близько 90%. На самих мікрочипах вдавалося генерувати квантову систему із 4 кубітів. Звичайний біт може приймати лише два значення: 0 та 1. Кубіт же до вимірів перебуває в суперпозиції цих двох станів. Таким чином кубіти переносять значно більше інформації: n кубітів відповідають 2n класичним бітам. Наприклад, 4 кубіти — це 16 біт, а 10 — уже кілобіт. Як зазначають автори дослідження, їхня технологія може бути масштабована на більшу кількість кубітів. А те, що систему з кубітів вдалося запрограмувати на мікросхемах, відкриває шлях для її використання у квантових комунікаціях. Наприклад, для створення мережі квантового інтернету. Чи виведення таких досі екзотичних явищ, як квантова заплутаність, телепортація, криптографія, з лабораторій у наш побут. 

Якщо ви помітили помилку, виділіть необхідний текст і натисніть Ctrl + Enter, щоб повідомити про це редакцію.