Квантовая телепортация: в чём суть?
По многочисленным заявкам трудящихся я решил начать рассказ о квантовой телепортации. В общем, это очень неплохо продолжает ранее уже начатый мною разговор о квантовой науке вообще.
Итак, что такое телепортация? Благодаря своей широкой раскрученности в фантастико-фэнтезийных сюжетах разных книг, фильмов, игр и проч., пожалуй, у каждого человека это слово вызовет ряд стойких ассоциаций: пространственно-временные каналы, порталы, мгновенное перемещение предметов, исчезновение стенок и т.д. И всё это правда! Что же подразумевают современные учёные, говоря о том, что им удалось осуществить квантовую телепортацию чего-то там оттуда-то туда-то?
Итак, для начала скажу, что, действительно, квантовая телепортация подразумевает мгновенную передачу определённого "квантового нечто" из точки A в точку B, каким бы большим расстоянием они разделены ни были. Остаётся уточнить, что являет собой это самое "нечто"? Возвращаясь к научно-фантастическим образам, можно представить себе, как, по нашему нажатию красной кнопки с конкретным заданием пространственно-временных координат точки назначения, некоторый предмет исчезает с поверхности Земли и тут же появляется, скажем, где-нибудь в системе Альфа-Центавра. Лукавить не буду, с квантовой телепортацией всё обстоит несколько прозаичней, ибо, как вы понимаете, в реальности мгновенный перенос материи, пардон, не прокатит ну никак. Поэтому амбиции наши придётся немножечко снизить.
Для определённости представим себе, что наш телепортируемый объект в пункте A - это не некий абстрактный предмет, а диск или флешка, с записанной на ней информацией. И, собственно, то, что мы хотим перенести в пространстве - это информационное содержимое и есть. Таким образом, первое, чем нам придётся запастись - это другая флешка в пункте B, которая играла бы роль болванки: её первоначальное содержимое нас вообще не интересует, однако, в результате процедуры телепортации, записанной на ней должна оказаться информация с первой флешки.
Однако, раз телепортация наша квантовая, то объектами манипуляции будут не флешки, а иные физические носители, например, электроны, фотоны или иные частицы (атомы, йоны и т.д.). Соответственно, в роли телепортируемой информации будут выступать не привычные нам биты "0" и "1", а некое физическое свойство (состояние), которым данные частицы обладают. Иначе говоря, в квантовой телепортации мы переносим не саму частицу, а её квантовое состояние, которое, по аналогии с привычной нам "классической" информацией может быть представлено в виде "квантового бита" или так называемого кубита (англ. qubit).
Само собою, в лучших традициях квантовой неопределённости, конкретное состояние кубита ("0" или "1") не определено: можно сказать, что он и "0", и "1" сразу - равно как и Шрёдингеровский кот одновременно и жив, и мёртв. Прекрасным примером кубита может стать электрон с неопределённой проекцией спина на выбранную ось, о котором я уже рассказывал здесь. Фотоны также обладают характеристикой, во многом напоминающей спин - поляризацией. Физически, впрочем, её неверно было бы представлять в виде вращения частицы вокруг собственной оси. В отличие от спина, поляризация света характеризует то, как ведёт себя во времени вектор напряжённости электромагнитной волны. Так, в случае линейной поляризации, конец стрелки, изображающей этот вектор (см.рис ниже) будет двигаться вдоль одной прямой вверх-вниз (вертикальная поляризация - показана на рисунке) или же вправо-влево (горизонтальная поляризация). Пионерские эксперименты по квантовой телепортации как раз и были проведены с помощью фотонов и их поляризаций, поэтому, для конкретики, в дальнейшем говорить я буду именно о телепортации поляризованных квантов света.
Теперь самое интересное. Как может быть организован эксперимент по квантовой телепортации? Для этого нам понадобится хитроумное устройство под названием детектор Белла, который, на самом деле, одновременно и детектор и нет описанию которого я посвящу отдельный пост, и всего три фотона. Один из них - собственно тот, который нам надо телепортировать. Можно сказать, что, вместе со вторым из квантов, он также сыграет роль «рубильника», запускающего телепортацию, и индикатора, говорящего нам том, успешно ли она прошла. Третий же фотон нам нужен, как я говорил уже, в качестве болванки, на которую будет «записано» желаемое состояние.
Помимо детектора Белла (BM на схеме сверху), оперирующего первым (1) и вторым (2) фотонами, важную роль в схеме квантовой телепортации играет перепутывание (S), которое, в свою очередь, должно иметь место между вторым (2) и третьим (3) квантами. Квантовая перепутанность двух фотонов полностью аналогична той, которую я описывал в отдельном посте на примере проекций спинов электрона и протона, с той лишь разницей, что вместо «крутящихся влево или вправо» частиц, теперь мы будем иметь пару фотонов, один из которых обязательно поляризован горизонтально, тогда как другой - вертикально. Таким образом, через Белловский детектор и перепутывание нам удастся «квантово» связать первый и третий кванты, и осуществить тем самым телепортацию состояния одного из них на другой.
Итак, в следующий раз расскажу о том, как именно работает детектор Белла и опишу некоторые детали первого в мире эксперимента по квантовой телепортации.
Итак, что такое телепортация? Благодаря своей широкой раскрученности в фантастико-фэнтезийных сюжетах разных книг, фильмов, игр и проч., пожалуй, у каждого человека это слово вызовет ряд стойких ассоциаций: пространственно-временные каналы, порталы, мгновенное перемещение предметов, исчезновение стенок и т.д. И всё это правда! Что же подразумевают современные учёные, говоря о том, что им удалось осуществить квантовую телепортацию чего-то там оттуда-то туда-то?
Итак, для начала скажу, что, действительно, квантовая телепортация подразумевает мгновенную передачу определённого "квантового нечто" из точки A в точку B, каким бы большим расстоянием они разделены ни были. Остаётся уточнить, что являет собой это самое "нечто"? Возвращаясь к научно-фантастическим образам, можно представить себе, как, по нашему нажатию красной кнопки с конкретным заданием пространственно-временных координат точки назначения, некоторый предмет исчезает с поверхности Земли и тут же появляется, скажем, где-нибудь в системе Альфа-Центавра. Лукавить не буду, с квантовой телепортацией всё обстоит несколько прозаичней, ибо, как вы понимаете, в реальности мгновенный перенос материи, пардон, не прокатит ну никак. Поэтому амбиции наши придётся немножечко снизить.
Для определённости представим себе, что наш телепортируемый объект в пункте A - это не некий абстрактный предмет, а диск или флешка, с записанной на ней информацией. И, собственно, то, что мы хотим перенести в пространстве - это информационное содержимое и есть. Таким образом, первое, чем нам придётся запастись - это другая флешка в пункте B, которая играла бы роль болванки: её первоначальное содержимое нас вообще не интересует, однако, в результате процедуры телепортации, записанной на ней должна оказаться информация с первой флешки.
Однако, раз телепортация наша квантовая, то объектами манипуляции будут не флешки, а иные физические носители, например, электроны, фотоны или иные частицы (атомы, йоны и т.д.). Соответственно, в роли телепортируемой информации будут выступать не привычные нам биты "0" и "1", а некое физическое свойство (состояние), которым данные частицы обладают. Иначе говоря, в квантовой телепортации мы переносим не саму частицу, а её квантовое состояние, которое, по аналогии с привычной нам "классической" информацией может быть представлено в виде "квантового бита" или так называемого кубита (англ. qubit).
Само собою, в лучших традициях квантовой неопределённости, конкретное состояние кубита ("0" или "1") не определено: можно сказать, что он и "0", и "1" сразу - равно как и Шрёдингеровский кот одновременно и жив, и мёртв. Прекрасным примером кубита может стать электрон с неопределённой проекцией спина на выбранную ось, о котором я уже рассказывал здесь. Фотоны также обладают характеристикой, во многом напоминающей спин - поляризацией. Физически, впрочем, её неверно было бы представлять в виде вращения частицы вокруг собственной оси. В отличие от спина, поляризация света характеризует то, как ведёт себя во времени вектор напряжённости электромагнитной волны. Так, в случае линейной поляризации, конец стрелки, изображающей этот вектор (см.рис ниже) будет двигаться вдоль одной прямой вверх-вниз (вертикальная поляризация - показана на рисунке) или же вправо-влево (горизонтальная поляризация). Пионерские эксперименты по квантовой телепортации как раз и были проведены с помощью фотонов и их поляризаций, поэтому, для конкретики, в дальнейшем говорить я буду именно о телепортации поляризованных квантов света.
Теперь самое интересное. Как может быть организован эксперимент по квантовой телепортации? Для этого нам понадобится хитроумное устройство под названием детектор Белла, который, на самом деле, одновременно и детектор и нет описанию которого я посвящу отдельный пост, и всего три фотона. Один из них - собственно тот, который нам надо телепортировать. Можно сказать, что, вместе со вторым из квантов, он также сыграет роль «рубильника», запускающего телепортацию, и индикатора, говорящего нам том, успешно ли она прошла. Третий же фотон нам нужен, как я говорил уже, в качестве болванки, на которую будет «записано» желаемое состояние.
Помимо детектора Белла (BM на схеме сверху), оперирующего первым (1) и вторым (2) фотонами, важную роль в схеме квантовой телепортации играет перепутывание (S), которое, в свою очередь, должно иметь место между вторым (2) и третьим (3) квантами. Квантовая перепутанность двух фотонов полностью аналогична той, которую я описывал в отдельном посте на примере проекций спинов электрона и протона, с той лишь разницей, что вместо «крутящихся влево или вправо» частиц, теперь мы будем иметь пару фотонов, один из которых обязательно поляризован горизонтально, тогда как другой - вертикально. Таким образом, через Белловский детектор и перепутывание нам удастся «квантово» связать первый и третий кванты, и осуществить тем самым телепортацию состояния одного из них на другой.
Итак, в следующий раз расскажу о том, как именно работает детектор Белла и опишу некоторые детали первого в мире эксперимента по квантовой телепортации.