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.