Квантовая телепортация

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Ква́нтовая телепорта́ция — специфически квантовая двухканальная передача информации о квантовом состоянии системы. Термин «квантовая телепортация» был введен в 1993 году в статье Phys.Rev.Lett. 70, 1895—1899 (1993), где подробно описано, какое именно явление предлагается так называть и чем оно отличается от популярного в научной фантастике слова «телепортация».

[править] Распространённые заблуждения

Сразу развеем два заблуждения относительно этого термина

• квантовая телепортация — это скорее передача информации, чем материи. При телепортации передаётся лишь состояние системы.
• квантовая телепортация не приводит к мгновенной или сверхсветовой передаче информации. Как описано ниже, обязательным этапом при квантовой телепортации является передача информации по классическому, неквантовому каналу, а это заведомо не может происходить со сверхсветовой скоростью.

[править] Краткое описание

Квантовая телепортация осуществляется за счёт разделения информации на «квантовую часть» и «классическую часть» и независимой передаче этих двух компонент. Для передачи «квантовой части» используются характерные для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна-Подольского-Розена, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи.

Для простоты будем иметь в виду физическую величину с двумя собственными состояниями ψ₁ и ψ₂ (например, проекцию спина электрона или фотона на заданную ось).

Пусть у отправителя есть частица А, находящаяся в произвольном квантовом состоянии ψ_A = αψ₁ + βψ₂, и он хочет передать это квантовое состояние получателю, т. е. сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица B в том же самом состоянии. Иными словами, необходимо передать два комплексных числа α и β (с бесконечной точностью). Заметим, что главная цель здесь — это передать информацию не как можно быстрее, а как можно аккуратнее, гарантированно без потерь и искажений. Для достижения этой цели выполняются следующие шаги.

1. Отправитель и получатель договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадёт отправителю, а B — получателю. Поскольку эти частицы запутаны, то каждая их них не обладает своей волновой функцией, но вся пара целиком описывается единой волновой функцией ψ_BC.
2. Когда отправитель получает частицу C, он имеет систему из двух частиц A и C. Однако до того, как над C совершены какие-либо действия, эти частицы являются пока независимыми. Волновая функция всей системы из трёх частиц есть произведение ψ_Aψ_BC.
3. Волновая функция ψ_Aψ_BC имеет четыре собственных состояния. Поэтому, когда отправитель совершает измерение над системой из двух частиц A и C, он с некоторой вероятностью получает одно из 4 собственных значений физической величины. Поскольку при этом измерении частица C коллапсирует в некое новое состояние, то и запутанная с ней частица B также коллапсирует в некоторое определённое состояние.
4. Именно в этот момент происходит передача «квантовой части» информации. Отметим, что объём передаваемой при этом информации, равен объёму информации, запасённой в исходном состоянии, и может быть сколь угодно большим. Однако восстановить передаваемую информация пока невозможно: получатель знает, что состояние частицы B как-то связано с состоянием частицы A, но не знает как именно!
5. Для выяснения этого необходимо, чтобы отправитель сообщил получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения (затратив при этом два бита!). По законам квантовой механики получается, что имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.

Ещё раз подчеркнём: полная передача информации осуществится только после того, как получатель будет обладать данными, полученными по обоим каналам. До того, как получен результат по классическому каналу, получатель ничего не может сказать об исходном состоянии.

Заметим также, что перехватить передаваемую информацию без ведома отправителя и получателя принципиально нельзя. Дело в том, что если «злоумышленник» попытается проследить за эволюцией запутанной пары B и C, то он тут же разрушит её запутанность, что можно будет легко отследить по неравенствам Белла.

Наконец, обратим внимание, что исходное состояние частицы A после всего произошедшего разрушается. То есть, состояние было не скопировано, а перенесено из одного места в другое. Этот факт тоже аналогичен фантастическому понятию телепортации.

[править] Экспериментальная реализация

• Экспериментальная реализация квантовой телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена в 1998 году и описана в статье Phys.Rev.Lett. 80, 1121—1125 (1998).

• В журнале Nature за 17 июня 2004 года было объявлено об успешном экспериментальном наблюдении квантовой телепортации квантового состояния атома сразу двумя исследовательскими группами: M.Riebe et al., Nature 429, 734—737 (телепортация квантового состояния иона атома кальция) и M.D.Barrett et al., Nature 429, 737—739 (телепортация кубита на основе иона атома бериллия). Несмотря на поднявшуюся шумиху в средствах массовой информации, эти эксперименты вряд ли можно назвать прорывом: скорее это просто очередной большой шаг в направлении создания квантовых компьютеров и реализации квантовой криптографии.

[править] Ссылки

• Менский М.Б. Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новые формулировки старых вопросов
• Курс «Современные задачи теоретической информатики» (лекции по квантовым вычислениям: введение, суперплотное кодирование, квантовая телепортация, алгоритмы Саймона и Шора)