Компьютерра PDA 22.05.2010-28.05.2010
Шрифт:
Конечно, любители настоящего настольного тенниса обратят внимание на несколько недостатков. Стол получается нестандартных размеров, так как типичная межкомнатная дверь в высоту достигает 2,1 метра, а высота от пола до разложенного стола составит 1,05 метра (против положенных 76 см). При этом понятно, что и ширина стола будет куда меньше положенного, и стенки будут мешать "гонять крученые". Однако, для проведения пятнадцатиминутной разминки такая дверь незаменима.
Квантовая телепортация: на пути к квантовому компьютеру
Автор: Олег Нечай
Опубликовано 28 мая 2010 года
Физики
Начнём издалека. Как известно, атомы состоят из более простых субатомных частиц – положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, образующих ядро, и отрицательно заряженных электронов, которые составляют электронное облако, окружающее ядро. По величине спина, то есть момента импульса, или, грубо говоря, момента вращения, элементарные частицы делятся на два класса: фермионы с полуцелым спином – это как раз упомянутые электроны, протоны, нейтроны и нейтрино, – и бозоны с целым спином – это фотоны, мезоны и глюон.
Для наблюдения и экспериментов в микромире особенно удобен фотон – безмассовая частица с нулевым зарядом, квант электромагнитного излучения ("световой квант", по определению Эйнштейна), существующий только в процессе движения со скоростью света. Фотон одновременно демонстрирует свойства и частицы, и волны, то есть корпускулярно-волновой дуализм. Свойства фотона (света) описываются и как свойства распространения волны, и как свойства частицы при взаимодействии с веществом. Универсальность наглядно демонстрируемого фотоном корпускулярно-волнового дуализма для любых частиц – один из базовых постулатов квантовой механики.
В отличие от "большого мира", в микромире объекты могут находиться в так называемой суперпозиции, то есть одновременно пребывать в неких промежуточных, альтернативных и взаимоисключающих с точки зрения классической механики состояниях. Если прибегнуть к привычному для компьютерщиков двоичному коду, то некая частица может одновременно означать и ноль, и единицу, а вероятность того, какое значение она примет, описывается волновой функцией. Пока мы не измерили это значение, частица пребывает именно в этом вероятностном состоянии, а измерив, мы немедленно изменяем частицу и получаем на выходе одно из вероятных значений.
Ещё одно важнейшее явление микромира – так называемая квантовая сцепленность или запутанность. Смысл этого явления заключается в том, что квантовые состояния двух или более частиц может быть связаны друг с другом, даже если эти частицы разнесены в пространстве. Квантовая сцепленность объясняет самые различные природные процессы, например, фотосинтез в растениях, при котором энергия солнечного света мгновенно "телепортируется" от "принимающих" молекул к молекулам, ответственным за электрохимические преобразования. Причём передаётся именно некоторое вероятностное состояние частицы,
Здесь мы, наконец, приближаемся к сути явления квантовой телепортации. Сцепленность можно задать искусственно, поместив несколько частиц в одинаковые условия и воздействуя на них, например, лучом лазера при температуре, максимально близкой к абсолютному нулю, остановив хаотическое движение. В результате, если измерить состояние одной частицы, можно мгновенно определить и состояние всех, запутанных с ней. При этом исходная частица, состояние которой перенесется на новую, изменится сама, поскольку двух частиц с одинаковыми квантовыми состояниями быть не может: согласно теореме о запрете клонирования, невозможно создать идеальную копию произвольного неизвестного квантового состояния. То есть уничтожение начального квантового состояния – это необходимое условие телепортации.
Первый успешный эксперимент по телепортации поляризационного состояния фотона провели в 1997 году группы физиков из австрийского Университета Инсбрука и Университета Рима. В 2004 году учёным из того же Университета Инсбрука и американского Национального института стандартов и технологий удалось телепортировать уже квантовые состояния атома (точнее, ионов атома кальция и бериллия).
Для передачи состояний использовалась классическая схема с тремя частицами А, В и C. Выглядит она так. У отправителя имеется частица A, квантовое состояние которой нужно передать получателю – точнее, нужно сделать так, чтобы в распоряжении получателя оказалась частица B в том же самом квантовом состоянии. Сначала создаётся запутанная пара С и B, квантовые состояния которых связаны, но не известны. У отправителя остаётся частица С, а B будет доставлена получателю. Отправитель производит измерение системы AC, получив одно из четырёх возможных значений и разрушив изначальное состояние A. Полученный результат измерений пересылается по обычным каналам связи получателю, который на его основании определяет, какое преобразование нужно применить к частице B, чтобы восстановить исходное состояние A. Таким образом, информация, полученная по обычным каналам, позволяет установить волновую функцию, "телепортированную" с С на B, которые составляют сцепленную пару.
Эти опыты были призваны экспериментально подтвердить саму возможность квантовой телепортации, а речь о расстоянии зашла в 2005 году, когда учёным из Китайского университета науки и технологий удалось передать квантовое состояние частиц на расстояние семи километров по открытому воздуху. При этом были использованы лазерные лучи диаметром 12 см и телескопы. Сейчас же китайцы побили собственный рекорд, телепортировав квантовое состояние фотонов на расстояние 16 километров. Поистине грандиозное достижение!
Каково же значение всех этих экспериментов и их практический смысл? Одно из напрашивающихся применений – квантовая криптография, позволяющая создавать системы связи с абсолютной защитой от прослушивания и перехвата информации. Данные шифруются традиционными способами, а сведения о цифровых ключах передаются посредством телепортации кубитов ("квантовых битов"), закодированных в качестве одной из характеристик (например, спина или поляризации) квантового состояния фотона. При попытке перехвата такие ключи, согласно законам квантовой механики, просто изменяются – то есть, фактически, уничтожаются без возможности восстановления.