Квантова телепортація - це процес, за якого квантовий стан однієї частинки може бути переданий на іншу частинку без фізичної передачі інформації. Це явище ґрунтується на використанні квантової заплутаності, за якої дві або більше частинок залишаються пов'язаними навіть на великій відстані, впливаючи одна на одну.
Іншими словами, якщо ви заплутаєте дві частинки, у вас, природно, вийде заплутаність. Але якщо ви хочете телепортувати точний суперпозиційний квантовий стан однієї частинки, атома або людини, то вам знадобиться безліч взаємно заплутаних парних частинок. Звідси, до речі, виходить, що точне клонування фізично (а отже, q біологічно) неможливе.
Феномен квантової телепортації був описаний на початку 90-х років і експериментально продемонстрований кількома групами по всьому світу.
Однак досі існує багато запитань, пов'язаних із реалізацією цього процесу в реальних умовах.
Однією з головних проблем є те, що квантова телепортація вимагає дуже високого рівня контролю над заплутаними частинками й точного вимірювання їхніх станів.
Крім того, попри гучні заяви, не відомо, як пересилати інформацію швидше за швидкість світла. Плюс - для завершення процесу необхідно також передати класичну інформацію “звичайним” каналом зв'язку.
Хоча, - знов-таки теоретично, - квантова телепортація має великий потенціал для розвитку квантових комунікацій і квантових мереж, особливо в контексті безпеки, передавання даних і реалізації квантових обчислень.
Розглянемо цей феномен детальніше.
Обмеження на складність і надійність телепортації
За словами Аллана Стейнхардта, фізика-теоретика з Оксфордського університету, на сьогодні переміщено лише субатомні частинки. Досі неясно, наскільки складну систему в реальності ми здатні телепортувати.
Існує кілька дуже жорстких фундаментальних обмежень на складність систем, і вони безпосередньо пов'язані з принципом невизначеності Гейзенберга.
Нагадаємо, що квантова теорія стверджує, що ніщо не може бути виміряно точно. У цьому і полягає складність. Якщо ми хочемо надіслати систему, складнішу за одну квантову частинку, то питання полягає в тому, наскільки точно ми можемо надіслати інформацію, а отже, наскільки точно ми "копіюємо" систему, що телепортується.
Це питання не може бути вирішене без обговорення мети телепортації. Ми знаємо, що не існує технології "запису" систем хоча б у кілька десятків атомів, але водночас розуміємо, що точний запис і не потрібен.
Чого ми не знаємо, то це того, як має "протікати" телепортація, щоб "я" став “мною”, а "ти" - "тобою". Явно "зла проблема”.
До речі, ніхто не скасовував квантовий дисонанс - туманної межі між заплутаністю і декогеренцією. Тут ще досліджувати й досліджувати...
На думку Стейнхардта, практичні межі телепортації не визначаються фізичними обмеженнями. Реальна проблема полягає в скануванні вихідного атома, або об'єкта, або людини без шкоди для його квантового стану в принципі.
Зчитування вектора квантового стану "вб'є" все, що вимірюється, а будь-яке фізичне тіло, зокрема й людина, - система, що постійно змінюється.
Дійсно, теорема про відсутність клонування вимагає вбивства людини! Але не хвилюйтеся, ви знову з'явитеся, але в іншому місці! Або не ви... Або не з'явитесь...
Етапи телепортації
Тепер ми готові пояснити телепортацію.
Виходимо зі стандартної нотації Бра-Кета. Математично телепортація описується оператором, який "розгортає" другий біт назад тоді й тільки тоді, коли перший біт дорівнює 1.
Прийом часто зустрічається у квантових обчисленнях. Згадаймо: Аліса і Боб мають спільну заплутану пару Ейнштейна-Подольського-Розена (ЕПР) |00⟩+|11⟩2√.
Тобто або вони обидва отримають 0, або обидва отримають 1, ймовірність того або іншого 50%.
В Аліси є стан, який вона хоче відправити. Цей стан
|ψ⟩=a|0⟩+b|1⟩,a2+b2=1.
a і b - ваги суперпозиції (квадратні корені з ймовірностей).
Спочатку обчислюється проміжний стан:
|ρ⟩=Cnot[|ψ⟩⊗|00⟩+|11⟩2√]=a2√[|000⟩+|011⟩]+b2√[|110⟩+|101⟩].
Далі до першого біта застосовується хадамардівське (45-градусне) обертання:
|ρ′⟩=a[|000⟩+|100⟩+|011⟩+|111⟩]2+b[|010⟩−|110⟩+|001⟩−|101⟩]2.
Аліса вимірює свої два q-біти. Третій q-біт, яким володіє Боб, є викривленою версією бажаного квантового стану, але кожне викривлення однозначно визначається тим, який із чотирьох бітів, [00], [01], [10], [11], має у своєму розпорядженні Аліса.
В результаті Аліса знає, як спотворено стан Боба, і хоче підказати йому, як його змінити, щоб отримати справжній стан. Наприклад, припустимо, що Аліса вимірює [01]. Тоді вона знає, що Боб має у своєму розпорядженні b|0⟩+a|1⟩
що Боб може "виправити" після того, як Аліса повідомить йому, що вона вимірює 01. Для цього Боб міняє місцями 0 і 1, що є ще одним обертанням.
Перелічене вище означає передачу тільки одного стану, наприклад, поляризацію одного фотона. Це означає, що потрібно досить багато неочевидних маніпуляцій із фотоном.
Неоднозначності
Теоретично квантову телепортацію можна використовувати для безпечного передавання даних і для квантових обчислень.
Якщо ж йдеться про перенесення макромасштабних фізичних об'єктів, то зовсім не очевидно, що під час цього потрібна передача квантової інформації.
У такому разі краще використовувати емулятори оптичних решіток або інші методи, що дозволяють маніпулювати атомами.
Але тоді ми будемо говорити про одну й ту саму матерію? Чи ні?
