Файл: деп_тукс_10_11.doc

6. 3. Обзор некоторых экспериментальных результатов по квантовой телепортации

Рассмотрим кратко три эксперимента, демонстрирующие эффект квантовой телепортации:

1. В работе группы А. Цайлингера входным состоянием являлось поляризационное состояние одного из двух коррелированных фотонов. Две пары коррелированных фотонов возбуждались при двукратном прохождении фемтосекундного лазерного импульса через нелинейный кристалл. Один фотон, таким образом, оказывался дополнительным - его использовали как “триггер”, присутствие которого указывало на наличие второй пары. Пары приготавливались в состоянии Белла . Фотон из первой пары (после первого прохода лазерного импульса) смешивался на неполяризационном светоделителе с одним из фотонов другой пары. При точном совпадении оптических путей этих фотонов в совпадениях отсчетов детекторов, стоящих в выходных модах светоделителя, наблюдается эффект антикорреляции. В этом случае исчезают совпадения между детекторами. Ни исходное состояние телепортируемого фотона, ни состояние той половинки перепутанной пары, с которой он смешивается на светоделителе, не имеют определенного поляризационного состояния. Следовательно, эффект антикорреляции будет иметь место в ѕ случаях от общего числа испытаний. Именно такому числу исходов отвечают события, при которых поляризации фотона “1” и фотона “2” совпадают (обе - либо вертикальные, либо горизонтальные, в соответствующем базисе). В остальных случаях совпадения будут происходить, поскольку при ортогональных поляризациях эффекта антикорреляции нет. Поскольку состояние Белла фотонов “2” и “3” - синглетное, то каждый раз совпадение отсчетов двух детекторов, стоящих позади светоделителя (отсутствие эффекта антикорреляции), сопровождается копированием поляризации исходного фотона “1”. Действительно, всегда, в силу выбора состояния Белла. В то же время, при отсутствии эффекта антикорреляции, следовательно. Ясно, что “чистота” копирования составляет лишь 25% - по вероятности измерения синглетного состояния Белла с помощью светоделителя. В остальных случаях копирование не происходит - через станцию Боба пролетают “лишние” фотоны. Такой результат связан со спецификой использованного в этой работе измерения состояния Белла. Д.Н. Клышко предложил убрать такие фотоны введением затвора, срабатывающего только при поступлении импульса совпадения от станции Алисы. Таким образом, полное копирование поляризационного состояния в обсуждаемой схеме возможно только при помощи неунитарной операции - поглощении “лишних” фотонов. В той же работе рассматривается способ увеличения благоприятных исходов копирования до 50%.

2. Другая работа была выполнена группой Де-Мартини из Рима. Суть ее сводится к предложенной С. Попеску идее двухчастичной (вместо трехчастичной) телепортации. В целом два этих протокола совпадают, однако, в варианте Попеску входное состояние отсутствует. Вместо этого предлагается использовать какую-нибудь степень свободы одной из частиц перепутанной пары, которая не задействована в перепутывании. В эксперименте, сначала получаются фотоны, перепутанные по направлению распространения, т.е. по импульсам. Далее в протоколе появляется “ассистент”, помогающий Алисе закодировать состояние прямо в ее компоненте синглетной пары, вместо того, чтобы кодировать его в третьей частице. Конкретно, “ассистент” преобразует состояние с определенной поляризацией в суперпозицию . В такой двухчастичной схеме действия Алисы проще, чем в трехчастичной схеме. Это связано с тем, что "заставить" взаимодействовать разные степени свободы одной частицы проще, чем заставить взаимодействовать две разные частицы. В отличие от случая трехчастичного протокола, проектирование частицы “1” (т.е. бывшей частицы “2”) в базис состояний Белла не представляет серьезной проблемы и может быть выполнено со 100%-ой эффективностью. Для выполнения операция проектирования необходимо перепутать поляризационные и импульсные свойства фотона “1”. Это делается с помощью светоделителей. Серьезным недостатком обсуждаемой схемы является то, что в ней отсутствует входное состояние - скорее такая схема годится для демонстрации, чем для сколько-нибудь реального использования. Так, что вряд ли такой протокол найдет применение в дальнейшем. Кроме того, в нем невозможно использовать в качестве входного состояния компоненту перепутанного состояния.

3. В третьем эксперименте была реализована схема, предложенная Л. Вайдманом и разработанная, впоследствии, С. Браунштейном и Дж. Кимблом. Здесь используется перепутывание между координатой и импульсом. В этом варианте квантовой телепортации координата и импульс, определяющие внешнее состояние квантовой системы, передаются к другой - удаленной - квантовой системе. В схемах, обсуждаемых ранее, передавалось внутреннее состояние, т.е. поляризация. Важное отличие между координатой и импульсом, с одной стороны и поляризации - с другой, заключается в том, что они имеют разные базисные представления. Для описания координаты и импульса требуется бесконечное число базисных состояний, т.к. любым двум различным координатам и импульсам отвечают два разных ортогональных собственных состояния. Действительно, собственные состояния координаты и собственные состояния импульса образуют бесконечномерное гильбертово пространство. В эксперименте реально были задействованы не координата x и импульс p частиц, а пучки света, которые характеризовались параметрами, удовлетворяющими таким же коммутационным соотношениям, как и и. Аналогия основана на том факте, что одна (поперечная) мода квантованного поля излучения описывается так же, как и гармонический осциллятор. Оператор электрического поля можно переписать в терминахи:

. (6.6)

Собственные значения и, называются квадратурными амплитудами поля и являются аналогами координаты и импульса. Хотя авторам этой работы и удалось выполнить измерения состояний Белла, все же качество копированного состояния оказалось довольно низким - около 58% .

6.4. Заключительные замечания: возможна ли телепортация макрообъекта?

(По материалам Доронина С.И.)

И все же непрофессионалы, например, журналисты вопрос о телепортации задают вновь и вновь: "Так можно ли телепортировать человека, подобно частице света?" "Теория пока об этом умалчивает", - говорит профессор Цайлингер. "Научная телепортация" подразумевает, что в пункте Б находится точная копия того же фотона, атома или какого – либо другого объекта, что и в пункте А. Телепортировать - это передавать сведения о квантовом состоянии объекта и заставлять копию вести себя точь-в-точь как объект. Телепортация не «творит» двойников, она «оживляет» их. В тот миг, когда двойник оживает, его прототип теряет свое обличье, развоплощается.

Итак, чтобы телепортировать человека, надо изготовить его точную копию. Если вы решите молниеносно перенестись на другую планету, заранее доставьте туда "двойника" - перевезите его на обычной, неторопливо летящей ракете. Увы, пока не верится, что подобную копию удастся сотворить. Для этого надо собрать слишком много информации. Быть может, нас выручат квантовые компьютеры? Ведь по своей эффективности они в миллионы раз превзойдут нынешние медлительные машины.

Следующая, неразрешимая пока, проблема. В опытах Цайлингера одна частица-посредник передает сведения о квантовом состоянии другой частицы. Если следовать схеме "одно квантовое состояние - один посредник", то при телепортации человека потребуется 10³¹ частиц, которые должны одновременно передавать сведения обо всех соответствующих им и "связанных" с ними частицах. Любой крохотный сбой приведет к непоправимым последствиям. Прежний человек перестанет существовать (потеряет свою идентичность), а его двойник окажется химерическим, дефектным созданием, неприспособленным к жизни. "Я бы не рискнул довериться нашей аппаратуре" - говорит один из участников инсбрукских экспериментов Харальд Вайнфуртер.

Но самое главное: неясным пока остается вопрос о том, насколько материальная копия может отличаться от оригинала. Будет ли это точная, до последнего атома, копия того же самого человека, что и исходный? Почему эта "коллекция атомов" будет иметь те же воспоминания, что и вы, будет наделена тем же характером, что и вы? Что отличает эту неподвижную фигуру от вас, если вы точь-в-точь совпадаете с ней? Почему вы наделены жизнью, а эта фигура пока нет? Что такое жизнь? Особое сочетание квантовых состояний? Тогда что такое "Бог, вдыхающий жизнь"? Камертон, заставляющий все частицы некоего тела принимать эти "особые квантовые состояния"? Что такое память? Особое сочетание квантовых состояний? В таком случае память присуща всем частям нашего тела, а вовсе не сосредоточена в головном мозге? Мы помним кожей и руками, затылком и спиной? И что же такое душа? Тоже особое сочетание квантовых состояний? Как только вашей копии будет передана информация о квантовых состояниях всех ваших частиц, в нее неизбежно вселится ваша душа? А что будет с вашим прежним телом? Что значит - оно "развоплотится"? Растает, как морок? Почему? Это же плоть, вещество, "сосуд скудельный"! Оно должно сохраниться! Но будет ли в нем по-прежнему теплиться жизнь? И не обнаружится ли в нем после подобной процедуры какая-то новая душа, ведь как-никак после того как прежняя душа упорхнула из этого сосуда, на месте осталась великолепная копия человека, всем частицам которой присущи какие-то квантовые состояния. И кто гарантирует, что их сочетание не позволит этой фигуре, вроде бы лишенной души, жить своей особой жизнью?

Подобные вопросы воскрешают в памяти легенду о Големе - человеческой фигуре, сотворенной мудрецом из праха. Она оживала, потому что "притягивала из Вселенной свободные звездные токи". Тогдашняя "телепортация" окончилась крахом. Голем повел себя, как чудовище, "убивая всех, кто попадался на его пути". Быть может, если даже мы передадим всю информацию о квантовых состояниях исходного объекта, в жившем теле окажется неизвестно что, а вовсе не душа «развоплощенного человека»?

Ответить на все эти вопросы удастся лишь в далеком будущем. Пока, опираясь на знания, накопленные квантовой физикой, мы можем лишь предположить, как будет выглядеть исходный, «развоплощенный» человек. Помните, что в квантовом мире мяч может быть одновременно и белым, и черным? Он примет какую-то определенную окраску лишь в тот момент, когда мы попытаемся взглянуть на него. «Если бы мы телепортировали человека, то на том самом месте, где только что стояло живое существо, - говорит Антон Цайлингер, - появился бы некий условный человек, которому одновременно были бы присущи все обличья и все характеры людей, живших до него и живущих теперь на Земле». Он воплощал бы одновременно все возможные образы человека, был бы Гитлером и Ганди, Булгариным и Пушкиным, Адамом и Евой в одном лице. Впрочем, такое состояние длилось бы краткий миг. Стоило кому-то взглянуть на эту фигуру, содержащую в себе память о всем человечестве, как она моментально приняла бы какой-то определенный образ, окрасилась в свой «черный» или «белый» цвет. Вот только чей образ она приняла бы? Прежнего человека, стоявшего здесь? Или на месте телепортированного человека внезапно возникла бы какая-то другая личность, быть может, давно уже «почившая в бозе» и лишь теперь вызванная к призрачной жизни злым гением теоретической физики?

Наконец, проблема еще и в том, что даже ученые по-разному пока истолковывают некоторые положения квантовой физики. Так, споры вызывает «принцип суперпозиции», игравший немалую роль в наших рассуждениях. Вернемся к тому же примеру с мячом, который может быть одновременно черным и белым и окончательно принимает цвет, лишь когда мы глядим на него, то есть «измеряем его состояние».

Итак, на наших глазах мяч принял одно из возможных состояний. Допустим, он стал черным. Что это может означать? Что теперь он всегда будет черного цвета? Что он обрел этот цвет лишь на миг и, как только мы отвернемся от него, он вновь возвращается в исходное, «неопределенное» состояние? А может быть, всякий раз, когда возникает подобный выбор, наша Вселенная делится на несколько параллельных миров (по числу возможных состояний)? В одном из них наш «мячик раздора» окрашен в черный, в другом - в белый цвет. В таком случае каждое мгновение рождается бесконечное множество вселенных, в которых происходят все те события, что не успели разыграться на наших глазах.