Файл: деп_тукс_10_11.doc

В исследования высокоскоростной квантовой криптографии углубилась и корпорация NEC в лице своего института NEC Research Institute. Над прототипами коммерческих систем квантовой криптографии, действующих по оптоволоконным линиям связи, работает подразделение телекоммуникационного гиганта Verizon Communications – BBN Technologies.

Группа Северо-Западного университета (США) сотрудничает с Telcordia Technologies и BBN Technologies, стараясь довести технологию до коммерческого применения. Им удалось передать зашифрованные данные по оптоволокну со скоростью 250 Мбит/с. Теперь стоит задача доказать, что схема позволяет сигналам проходить сквозь оптические усилители. В этом случае метод можно будет использовать не только в специальных оптоволоконных линиях связи между двумя точками, но и в более широких сетях. Еще эта команда работает над тем, чтобы достичь скоростей порядка 2,5 Гбит/с. Исследования Северо-Западного университета в области квантовой криптографии финансируются DARPA – оборонным ведомством США.

Министерством обороны Великобритании поддерживается исследовательская корпорация QinetiQ, активно совершенствующая технологию квантовой шифрации. Эта компания появилась на свет в результате деления британского агентства DERA (Defence Evaluation and Research Agency) в 2001 г., вобрав в себя все неядерные оборонные исследования, о своих достижениях она широкой публике пока не сообщает.

К исследованиям присоединилось и несколько молодых компаний, в том числе швейцарская Id Quantique, представившая коммерческую систему квантовой криптографии, и Magiq Technologies (http://www.magiqtech.com/) из Нью-Йорка, выпустившая прототип коммерческой квантовой криптотехнологии собственной разработки. MagiQ Technologies была создана в 1999 г. на средства крупных финансовых институтов. Помимо собственных сотрудников с ней взаимодействуют научные работники из целого ряда университетов США, Канады, Великобритании и Германии. Вице-президентом MagiQ является Алексей Трифонов, в 2000 г. защитивший докторскую диссертацию в Петербургском университете. Год назад Magiq получила 7 млн. долл. от нескольких инвесторов, включая основателя Amazon.com Джеффа Безоса.

Фирма «MagiQ» реализует квантово-криптографические системы, которые обеспечивают абсолютную защиту связи от подслушивания. Существуют уже небольшие сети из этих устройств: полностью функциональная 12-мильная квантово-криптографическая сеть из 10 узлов была развернута в Бостоне в июне 2004 года совместными усилиями Бостонского университета, Гарварда и некоторых коммерческих компаний. В Вене установлена квантово-криптографическая система, связывающая Венский муниципалитет и штаб-квартиру Австрийского банка (на расстоянии 1,45 км).

Компания «id Quantique» в апреле 2005 года выпустила на рынок уже второе поколение таких устройств, которые помогают корпорациям и правительственным агентствам защищать их сети передачи данных, используя фундаментальные законы квантовой физики. Компания «id Quantique» — лидер в области детектирования единичных фотонов и связанных лазерных источников.

Основные достижения последних лет в области коммерческого производства и практического применения квантово-криптографических систем:

● id Quantique (Женева) — система посылает квантовые шифровальные ключи (запутанные фотоны) на десятки километров по оптоволокну.

● MagiQ Technologies (Нью-Йорк) — система с оптоволокном посылает квантовые шифровальные ключи на расстояние до 100 км.

● NEC (Токио) — в 2004 году удалось передать ключи на 150 км.

В квантово-криптографических системах основным рабочим ресурсом являются запутанные состояния фотонов, и их мгновенная нелокальная связь (квантовые корреляции) позволяет обеспечить абсолютную защиту информации от постороннего доступа. Связь между запутанными фотонами используется не для передачи информации, а для контроля безопасности канала связи — при доступе к передаваемой информации «со стороны» когерентность фотонов (квантовая запутанность) тут же нарушается.

6. Квантовая телепортация

6.1 Общие представления

В 1993 году была опубликована статья Ч. Беннета с соавторами, которая называлась "Телепортация неизвестных квантовых состояний через двойной классический и ЭПР – каналы".

Вообще «телепортация» - это термин, взятый из научной фантастики и означающий мгновенную транспортировку чего-либо или кого-либо в пространстве. Одной из главных научных новостей последних пятнадцати лет стало экспериментальное подтверждение явления так называемой квантовой телепортации - феномена мгновенной связи между микрочастицами. Сообщения из научных кругов вызвали в широкой прессе массу псевдонаучных комментариев о возможности мгновенного перемещения тел в пространстве. На самом деле все это не так. У квантовой телепортации действительно есть колоссальный технологический потенциал, но лежит он совсем в других сферах - в дальнейшем развитии квантовой физики, в области связи и квантовых компьютеров.

Вовсе неудивительно, что за сообщениями об успешных экспериментах по квантовой телепортации последовали их самые фантастические интерпретации: с момента своего возникновения в начале 20-х годов XX-го столетия квантовая механика была и остается самым интригующим разделом физики. В мире больших макроскопических тел квантовые эффекты не наблюдаемы. Ричард Фейнман подчёркивал, что квантовую механику невозможно постичь, в нее можно лишь поверить. С точки зрения человеческого макроскопического опыта трудно представить образно, что частица не обладает траекторией; что она с различной вероятностью одновременно находится в каждой точке пространства; что она может спокойно пройти, или "протуннелировать" сквозь преграду, и если нам удалось задержать ее в какой-нибудь ловушке, то предоставленная самой себе частица вскоре расплывется.

Высказывались не профессиональные «любительские» суждения, что в будущем путешествовать будут исключительно посредством телепортации, исчезая в одном месте и воспроизводясь в другом. Подобная точка зрения полностью не соответствует действительности: квантовая телепортация отнюдь не означает возможности перемещения материального объекта. На самом деле речь идет о переносе состояния с одной частицы на другую независимо от того, как далеко друг от друга они находятся. Под состоянием частицы в квантовой физике подразумевается определенный набор характеризующих ее параметров, например импульс. Для того чтобы "телепортировать" материальное тело, нужно иметь по месту назначения "строительный материал" — набор атомов, в точности совпадающий с тем, из которого состоит оригинальное тело. Но, даже предположив, что удалось собрать эти частицы, нужно суметь передать им квантовое состояние телепортируемого предмета.

Термины «передача сигнала» или «передача информации» в данном случае не очень удачны — ничто никуда здесь не передается и не перемещается из одного места в другое. Более правильным является представление, что система по одним степеням свободы может быть сепарабельна (например, по пространственным координатам) и разделена на части, находящиеся в разных пространственных областях, а по другим (спиновым) — нет. В последнем случае система будет составлять единое целое, и спины станут изменяться согласованно, на каком угодно большом расстоянии не находились бы частицы. При этом никакие сигналы никуда не передаются. Спины частиц в случае запутанного состояния не разнесены в пространстве и не существуют самостоятельно в качестве отдельных элементов реальности, они как бы находятся в одном месте. Поэтому о каком-либо перемещении информации говорить бессмысленно. Недоразумения здесь возникают в силу укоренившихся предубеждений, когда мы по привычке начинаем рассуждать, как «локальные реалисты», о том, что если два объекта отделены друг от друга, то каждый из них несет в себе все свои внутренние характеристики. На самом деле это далеко не так. В какой-то своей части, по отдельным степеням свободы, объекты могут оставаться неразделенными, что со всей убедительностью подтверждается физическими экспериментами.

Вообще существование квантовой телепортации было предсказано ещё до второй мировой войны, но первую принципиальную схему эксперимента по реализации такого взаимодействия предложили только в 1993 году. Впервые эффект квантовой телепортации был предложен в работе Беннета и Брассарда с соавторами, сотрудниками исследовательского центра IBM. Тогда же ими был введен и термин "квантовая телепортация". Сам же эксперимент был впервые осуществлен в 2004 году: группа австрийских физиков под руководством А. Цайлингера наблюдала телепортацию квантового состояния на примере фотонов света. Сообщения о более позднем эксперименте по телепортации фотонов, поставленном в Италии, появились весной 2005 г. Результаты еще одного эксперимента, показывающие наличие связи между состояниями фотонов на гигантских (в масштабах микромира) расстояниях - более 10 км - опубликованы швейцарскими учеными уже летом 2005 года в журнале Physical Review A.

Интересно, что предсказание эффекта квантовой телепортации было сделано человеком, пытавшимся опровергнуть полноту квантовой физики. Этим человеком был А. Эйнштейн, оказавшийся гениальным и удачливым и в своих заблуждениях. Возражая против квантовой теории, Эйнштейн придумал знаменитый парадокс, опубликованный им в 1935 году в соавторстве с Б. Подольским и Н. Розеном. Используя принцип неопределенности Гейзенберга они логически вывели из него следующий тезис: если есть две частицы А и Б разлетаются в разных направлениях после соударения, то состояние частицы Б зависит от состояния частицы А, причем эта зависимость проявляется мгновенно и на любом расстоянии между А и Б. Этот парадокс и послужил впоследствии основой для открытия явления квантовой "телепортации". Но Эйнштейн считал мгновенную передачу сигнала невозможной, противоречащей здравому смыслу и нашему повседневному опыту. Кроме того, конечность скорости распространения взаимодействий является основным постулатом теории относительности Эйнштейна. Сформулировав свой парадокс, Эйнштейн считал, что доказал неполноту квантовой теории. Но, как выяснилось уже после смерти Эйнштейна, все было не так. То, на что указывал Эйнштейн, не было слабым местом квантовой механики — напротив, это оказалось одним из поразительнейших ее следствий.

Квантовая телепортация может играть значительную роль в будущих системах передачи информации. Если когда-либо будет создан квантовый компьютер, то информация о нем будет храниться в виде набора квантовых состояний. Эффекты ЭПР и квантовой телепортации позволят вести копирование и обмен информацией внутри квантового компьютера. И не только компьютера - можно телепортировать данные в любых цифровых системах. Преимущество телепортационного способа передачи информации заключается в том, что из одной точки пространства в другую переносится точная копия состояния, являющегося элементарной ячейкой памяти. Таким образом, появляется возможность передачи информации без потерь, со 100-процентной эффективностью. Именно перспектива создания принципиально новых систем связи и определяет нынешний научный ажиотаж вокруг квантовой телепортации. Впрочем, что касается инженерных решений этой задачи, то не следует думать, что они будут найдены завтра: технологические проработки только начались

Вообще первые идеи квантовой информатики зародились сразу же после работ Планка, Эйнштейна, де Бройля, Бора и других отцов-основателей квантовой физики. Существенное развитие они получили с созданием квантовой механики в формализмах Шредингера и Гейзенберга. Всевозможные мысленные эксперименты, проводимые с квантовыми объектами, зачастую вели к явным парадоксам. В 1935г. А. Эйнштейн и его сотрудники Б. Подольский и Н. Розен высказали идею, суть которой на примере элементарных частиц сводится к тому, что квантовый объект, в качестве которых могут быть, например, два связанных фотона, в процессе разделения сохраняют некое подобие информационной связи (эффект "перепутывания", "связывания", «сцепления»). При этом квантовое состояние одного, например поляризация или спин, может мгновенно передаваться на другой фотон, который при этом становится аналогом первого, который коллапсирует, исчезает, и наоборот. Расстояние между фотонами может быть любым. Это было названо эффектом, парадоксом или каналом Эйнштейна - Подольского - Розена (ЭПР). Как синоним этого феномена принят также термин "квантовая нелокальность", подчеркивающий мгновенную распределенность, нелокальность в пространстве состояний связанных по квантовым состояниям элементарных частиц. Стоит подробнее пояснить, что подразумевается под словами "сцепленное состояние". Речь идет о системе, состоящей из двух взаимодействующих подсистем (например, частиц), которая в какой-то момент времени распадается на две невзаимодействующие подсистемы. Для такого сцепленного состояния значение какой-либо физической величины (например, проекции спина электрона на какую-то ось или поляризации фотона) не определено ни для одной из подсистем. Однако, если мы произведем измерение над одной из подсистем и определим значение выбранной физической величины, то мы с достоверностью будем знать значение этой физической величины и для другой подсистемы. Примером системы, находящейся в зацепленном состоянии, являются два фотона, появившиеся в результате спонтанного параметрического распада фотона, распространяющегося в среде с квадратичной нелинейностью (например, в кристалле ВаВ2О4). Для зацепленных фотонов нельзя указать, какова поляризация каждого из фотонов пары; если же произвести измерение над одним фотоном и - тем самым - определить его поляризацию, то и поляризация другого фотона также станет определенной. Стоит подчеркнуть, что производя измерение над одной частицей мы в тот же момент определяем и состояние другой частицы, как бы далеко эти частицы друг от друга ни находились. С позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некоей волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается, и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать та же функция. Но состояние каждой отдельной частицы неизвестно в принципе: это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в приемник, регистрирующий её параметры, у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными) соответствующие характеристики, то есть, возможна мгновенная "пересылка" квантового состояния частицы на неограниченно большое расстояние. Телепортации самой частицы, то есть передачи массы при этом не происходит. Похожим образом ведет себя разорвавшийся на две части снаряд: если до взрыва он был неподвижен, суммарный импульс его осколков равен нулю. "Поймав" один осколок после взрыва и измерив его импульс, из закона сохранения импульса можно без измерения мгновенно назвать величину импульса второго осколка, как бы далеко он ни улетел.