Организаторы первого фестиваля знаний BRAINFEST подготовили двухдневный интенсив для всех, кто очень любит науку, но не хочет отрываться от дивана в последние февральские выходные: все происходящее в студии «Лендок» транслировалось онлайн через платформу MEDIAARENA.LIVE. В программу мероприятия вошли выступления режиссеров, журналистов, медиахудожников, начинающих и опытных ученых. К примеру, выступить с лекциями пригласили победителя «звездного» Science Slam Андрея Серякова, администратора паблика «Суровый технарь» Сергея Иванова, блогера Виталия Егорова, более известного как zeleniykot, и многих других. Заключительные лекции второго дня фестиваля посвятили самым сложным темам — свету и квантовой механике, о которых рассказали автор курса физики и космологии научно-образовательного проекта «Прогресс-Школа» Кирилл Половников, профессор естественнонаучного факультета и руководитель международной лаборатории «Нелокальная плазма в нанотехнологиях и медицине» Университета ИТМО Александр Чирцов, а также Антон Козубов — сотрудник лаборатории квантовой информатики Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО. Мы делимся расшифровкой его выступления на тему «Дорогая, я телепортировал квант: история и перспективы квантовых технологий».
Квантовая овечка Долли
В названии своей лекции я употребил такое слово, как «телепортация». Оно звучит очень круто, и, когда этот термин был введен, многие начали его эксплуатировать: на телевидении, в прессе появилась куча материалов о том, что телепортация возможна и уже существует. Но это не та телепортация, какой вы себе, наверное, ее представляете и какой ее показывают в научной фантастике. Квантовая телепортация, по сути, совсем далека от этого.
Я начну с небольшой предыстории о том, как развивалась физика, как появилась квантовая механика и откуда растут ноги у современных технологий. До начала XX века многие ученые считали, что в один прекрасный момент физике наступит конец. Мы сформулируем все законы природы, узнаем все, что только можно узнать, будем уметь предсказывать любые явления, и изучать больше будет нечего. Но в начале XX века на этот счет появились большие сомнения. В двадцатых годах такие ученые, как Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер, создали квантовую механику и, по сути, сформулировали основные законы всей квантовой физики. Гейзенберг был выдающимся ученым, о чем говорит тот факт, что уже в 24 года он получил Нобелевскую премию за свой знаменитый принцип неопределенности. Этот принцип сводится к тому, что невозможно с бесконечной точностью одновременно измерить координату и импульс частицы или еще какие-либо другие связанные между собой величины. У всего есть ограничения, в данном случае это квантовый предел — предел квантовых измерений, который описывает постоянная Планка: произведение двух неопределенностей должно быть больше этой постоянной, которая имеет размерность 10-34. Это очень мало, но если бы она была равна нулю, то мы бы могли утверждать, что две неопределенности — положительные величины, и мы можем измерить их с какой угодно точностью. Но мы этого сделать не можем, и дело не в том, что мы плохие инженеры или экспериментаторы, просто это фундаментальное свойство природы, и никуда от этого не деться.
Многие из нас, когда учились в школе, слышали о планетарной модели атома: в центре находится ядро, вокруг которого вращаются электроны. Эта модель атома, предложенная Нильсом Бором, оказалась неверной. Исходя из принципа неопределенности Гейзенберга, мы не можем одновременно знать координату и скорость частицы; у нас есть поле вероятностей, электронное облако, в котором в определенный момент времени можно найти частицы. Квантовая механика имеет вероятностный характер, как и вся природа вокруг нас. Благодаря этому мы не узнаем никаких начальных условий всей Вселенной и не сможем предсказать ее развитие. Лично мне этот факт импонирует.
Это основные моменты, которые нужно знать о квантовой теории, чтобы понять, как и куда развиваются квантовые технологии. Также следует упомянуть теорему о запрете клонирования. Согласно ей, квантовые состояния никак нельзя воспроизвести так, чтобы получить две точные копии. Ученые-генетики клонировали овечку Долли, и для меня как для человека, не сведущего в биологии, этот процесс выглядит достаточно просто: нужно взять геном овечки, считать его в виде последовательности нулей и единиц и задать эту последовательность в новых условиях. В квантовой физике сделать этого нельзя из-за того, что мы не можем достоверно снять всю информацию о частице: мы не можем одновременно узнать ее скорость и импульс с достаточной точностью. Проиллюстрировать это можно с помощью мысленного эксперимента, который называется «микроскоп Гейзенберга». Представьте, что у нас есть электрон, он находится в центре комнаты. Чтобы понять, что он находится именно там, нам нужно его увидеть, а видим мы объект в том случае, если от него отразились фотоны. Но когда фотон прилетает к электрону, «ударяется» об него и прилетает к нам, электрон находится уже в совершенно другой позиции. Да, мы получаем какие-то сведения, например, с какой скоростью он двигался, но информация о его местоположении уже не является актуальной.
Запутанная ситуация с запутанными фотонами
Может показаться, что квантовые состояния никак нельзя скопировать, но это не так: нужно четко разграничивать понятия копирования и клонирования. Мы можем воссоздать такое же квантовое состояние, но в результате изначальное состояние уничтожится, и копия останется одна. В связи с этим нужно упомянуть такой англоязычный термин, как entanglement. На русский язык он переводится как «запутанность», но это не та запутанность, которая бывает в клубке ниток. Скорее можно сказать, что мужчина и женщина находятся в состоянии entangled, когда у них появились какие-то взаимоотношения. Этот термин показывает, что два объекта, которые были раньше разделены, имели разную судьбу и историю, могут соединиться и двигаться как единое целое. И таким entangled образом можно запутать несколько частиц. Причем тут опять можно провести параллель с людьми: если у вас есть отношения с несколькими женщинами одновременно, связь никогда не будет такой же крепкой, как если бы вы встречались только с одной из них. У запутанных элементарных частиц то же самое: чем их больше, тем слабее связь, а хорошая, крепкая по всем параметрам перепутанность может быть только между двумя частицами.
В классической теории информации все, что нас окружает, существует в виде последовательности битов, которые принимают значения 0 и 1. Например, мой образ сейчас записывается на камеру, превращается в последовательность нулей и единиц, чтобы потом их можно было восстановить во что-то, выглядящее, как я. В квантовом представлении информация состоит из кубитов, которые находятся в суперпозиции состояний 0 и 1. Пока мы не вмешались в систему, она находится одновременно во всех возможных состояниях, и в какой-то из их комбинаций она окажется только после того, как мы проведем измерения.
Здесь стоит вспомнить еще один мысленный эксперимент, с которым столкнулись Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен (ЭПР-парадокс). Предположим, что у нас есть два запутанных фотона, один находится у меня, второй — у кого-то другого на Альфе Центавра. Для наглядности заменим фотоны монетками, которые можно подкинуть, и они примут значения «орел» или «решка». Пока мы не подбросили монетку, они находятся в произвольном состоянии, в квантовой суперпозиции. Но, если я подкину монетку и выпадет «орел», я узнаю, что на монетке на Альфе Центавра, которая находится в состоянии квантовой запутанности с моей, тоже выпал «орел». Таким образом, я могу, по сути, воздействовать на другие вселенные и миры. Эйнштейну этот факт, естественно, не понравился — он всю жизнь относился к квантовой механике с недоверием, а такие парадоксы раззадоривали его еще больше. Но так как наши монетки связаны между собой, они действуют как единое целое: при измерении одного состояния я естественным образом знаю, как будет вести себя оставшаяся часть системы, и ничего страшного в этом нет.
Телепортация кванта и криптографический салат
Мы подходим к самому интересному: как происходит квантовая телепортация. Как все помнят из математики в начальной школе, большинство задач строятся вокруг того, что что-то движется из пункта, А в пункт Б. Так как на базовом уровне любая передача квантовой информации тоже происходит между двумя точками, их принято называть «Алиса» и «Боб». Допустим, у Алисы и Боба была пара запутанных фотонов. Раньше они встречались, но теперь разъехались, и Алисе почему-то понадобилось передавать Бобу квантовую информацию — ту самую, которая одновременно и 0, и 1. С помощью классических методов этого не сделать, количество вероятностей каждого из значений стремится к бесконечности, и значит, нам потребуется и бесконечное количество классической информации. Но Алиса может делать следующее: измерить систему из кубита, который она хочет передать, и фотона из той пары запутанных фотонов, который у нее есть. В результате она получает какое-то значение — 00, 01, 10 или 11 — и передает его по классическому каналу. Боб получает сигнал, применяет такое же преобразование к своему фотону из пары и получает информацию, которую передавала Алиса. Это и называется квантовой телепортацей.
Помимо квантовой телепортации, существует еще очень интересные применения квантовым эффектам, в частности квантовая криптография. Современная криптография строится на математических алгоритмах, работу которых можно проиллюстрировать с помощью овощного салата: порезать овощи в салат достаточно просто, но собрать их потом обратно тяжело. Так же и большинство способов кодирования строятся на методе разложения числа на простые сомножители. Если перемножить 3 на 5, мы получим 15, но, зная только число 15, получить из него 3 и 5 несколько сложнее. В шифровании же числа могут быть любой размерности, и найти простые сомножители у очень большого числа — непростая задача. Время, которое требуется злоумышленнику для декодирования зашифрованного таким методом сообщения, слишком большое: пока он расшифрует информацию, та уже перестает быть актуальной. Тем не менее, это станет проще с появлением квантовых компьютеров, которые будут способны применять квантовые алгоритмы. Например, алгоритм Шора позволяет провести факторизацию самых разных чисел и расшифровать таким образом любые ключи, он экспоненциально быстрее, чем любые классические методы.
Квантовая криптография строится на иных принципах. Во-первых, в качестве носителей информации здесь используются одиночные фотоны. Фотон нельзя незаметно измерить: в квантовом мире эффект наблюдателя имеет очень большое значение. Его нельзя разделить, потому что это минимальная «порция» энергии, и нельзя скопировать в силу тех причин, о которых я говорил раньше. Поэтому реализация квантовой криптографии является очень полезной вещью, так как информация, которую мы передаем, защищена не алгоритмами, которые мы придумали, не математикой, а законами физики, против которых не пойдешь при всем желании. Весь наш сегодняшний мир построен на информации. Согласно небезызвестному афоризму, кто владеет информацией, тот владеет миром, поэтому безопасная передача данных сегодня является приоритетной вещью.
