Квант. Путеводитель для запутавшихся

В последние годы возник интерес к перспективам так называемого моделирования сред, которое предполагает сдерживание декогеренции путем как можно более долгого поддержания квантовых суперпозиций пойманных в ловушку атомов. Как же это делается? И снова с помощью лазеров. Но эта задача гораздо сложнее и требует совместной работы многих лазеров. Нужны лазеры, которые ловят атом, лазеры, которые его охлаждают, и лазеры, которые вводят его в суперпозицию. В общем, в лазерной промышленности не заскучаешь!

Рекордная запутанность

Наблюдение декогеренции в действии и контроль за нею с успехом применяются в развивающихся сферах квантовой криптографии, квантовых вычислений и квантовой телепортации, которые я опишу чуть дальше в этой главе. Но прежде мне стоит кратко упомянуть о недавнем прогрессе в укрощении еще одного фундаментального свойства волновой функции – квантовой запутанности.

Когда я перейду к описанию квантовых вычислений, мы увидим, что для максимально эффективного использования квантовых суперпозиций необходимо запутать как можно больше квантовых состояний. В 1990-е годы различные группы исследователей успешно запутывали по два-три атома или фотона, но это было нелегко. Взаимодействие с окружающей средой любой из запутанных частиц приравнивалось к измерению и приводило к коллапсу деликатных суперпозиций, которые рушились, подобно карточному домику. Затем в марте 2000 года группа ученых из NIST опубликовала на страницах журнала Nature[76] отчет об успешном применении новой техники запутывания вереницы из четырех пойманных в ловушку атомов. Каждый атом вводился в суперпозицию, после чего все четыре запутывались вместе. Этот метод, как утверждали ученые, был вполне применим и к гораздо большему количеству частиц.

О другом прорыве в сентябре 2001 года сообщила группа из датского города Орхус, которой удалось запутать квантовые состояния двух макроскопических объектов – образцов газа цезия, в каждом из которых содержались триллионы атомов! Запутанность продолжалась почти целую миллисекунду. Так, не смейтесь. Я понимаю, что миллисекунда довольно коротка, но это все же очень впечатляющий результат. Видите ли, если каждый из образцов пребывал в суперпозиции двух состояний, в каждом из которых атомы вели себя одинаково – все занимали одно энергетическое состояние или вращались в одну сторону, – то выход всего одного атома выдавал состояние всего образца, приводя к коллапсу суперпозиции. Это предполагает, что время декогеренции составляло менее одной фемтосекунды[77]. Однако ученые смогли поддержать запутанное состояние в триллион раз дольше!

Чтобы достичь такого результата, они не стали вызывать так называемую максимальную запутанность, в которой все атомы в каждом из образцов ведут себя одинаково. Вместо этого они ввели оба образца атомов в суперпозицию двух состояний, в каждом из которых чуть более половины атомов вращалось в одну сторону, а остальные вращались в другую.

Таким образом, если атом просачивался наружу и выдавал направление своего спина, этого было недостаточно для коллапса волновой функции всего образца до одного из состояний, так как состояние спина этого атома могло оказаться любым из состояний всего образца. Следовательно, потеря когерентности в состоянии отдельного атома, который вырывается наружу, приводит лишь к незначительному нарушению общей суперпозиции. Значит, выяснение состояния одного атома не приравнивается к измерению состояния всего образца.

Квантовая криптография

Вышеописанные техники представляют собой не просто удачное описание самых странных аспектов квантовой механики. Они имеют и практическое применение: с их помощью, возможно, однажды претворится в жизнь мечта о создании квантового компьютера. Но запутанность уже удалось применить на практике. Сфера ее использования называется квантовой криптографией.

Сначала я опишу, чем занимается классическая криптография. Если вы хоть раз задумывались, насколько безопасно давать номер своей кредитной карты при совершении покупок онлайн, поверьте, беспокоиться не стоит. Пока что это чрезвычайно безопасно. Математики годами искали способы позволить двум сторонам обмениваться информацией в атмосфере полной секретности. Стандартом этого стала отправка закодированного сообщения в надежде, что шпион не сумеет взломать код. Есть целый ряд хитрых фокусов для обеспечения безопасности зашифрованных сообщений, например схемы «открытых ключей». Простейшая форма этой идеи основана на следующем примере. Если я хочу получить от вас тайное сообщение, я посылаю вам пустую, открытую, непробиваемую коробку и открытый висячий замок, ключ к которому есть только у меня. Вы кладете сообщение в коробку и навешиваете замок, после чего отправляете ее обратно мне. Замок таков, что открыть его можно только моим ключом.