В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Еще один практический шаг в последние годы был совершен на основании «парадокса» ЭПР и эксперимента Acne. С 1984 года мы перешли от доказательства того, что, как только две квантовые сущности вступают во взаимодействие, они остаются «связанными», даже если их разделяют гигантские расстояния, к практическому применению их соответствующего поведения. Это было сделано двумя способами. Первый – создание невзламываемых квантовых кодов, а второй – развитие телепортации.

Первая разработанная версия квантовой криптографии прямо не подразумевала применения квантовой запутанности, а основывалась на квантовой суперпозиции. В 1984 году она выросла из работы сотрудника IBM Чарльза Беннета и Жиля Брассара из Монреаля. Коды (строго говоря, шифры) работают следующим образом: изначальное сообщение искажается так, чтобы его нельзя было прочитать, и передается тому, кто может «расправить» его, имея «ключ», который говорит, как это сделать. Суть в том, чтобы передать ключ от А к В, не дав какой-нибудь третьей стороне перехватить его и расшифровать сообщение. Беннет и Брассар предложили решать эту проблему передачей ключа в форме последовательности фотонов в разных состояниях поляризации. Они будут находиться в суперпозиции состояний, поэтому, когда перехватчик попробует «прочитать» ключ, фотонам придется принять какое-то из состояний, тем самым показав, что ключ перехватили. Даже лучше, не вдаваясь в технические детали, можно сказать, что систему можно настроить таким образом, чтобы перехватчик уничтожал содержащуюся в ключе информацию, пытаясь прочитать ее, тем самым лишая себя возможности использовать ключ. И это еще не настоящий полет фантазии теоретиков. Всего через двадцать лет после появления идеи Беннета и Брассара, 21 апреля 2004 года, физики из Венского университета помогли местному банку и мэру города осуществить перевод средств из банка на счета городских властей, используя такую же невзламываемую систему. Подобные сигналы с тех пор уже передавались по чистому воздуху на расстояние до 150 километров, что доказывает возможность их отражения от спутников на орбите Земли. Это лишь вопрос времени – и кажется, что уже не за горами момент, когда эта технология будет использоваться для шифрования информации, например той, которую вы используете при платежах кредитной картой в Интернете.

Вторая техника квантовой криптографии была предложена в 1990-х годах Артуром Экертом из Оксфордского университета, однако она не достигла столь же продвинутой стадии практического применения. Принцип прост, однако практические сложности огромны. Во-первых, необходимо приготовить пару связанных фотонов (или других частиц). Затем вы отправляете один своему другу, который проводит измерение, воздействующее на фотон, после чего отправляет его вам обратно. В итоге вы проводите измерение состояния связанных частиц, которое показывает, что именно ваш друг сделал с той частицей, которая была у него. Никто не в состоянии взломать этот код, поскольку вам необходимы обе частицы, чтобы выяснить, что же сделал ваш друг. Загвоздка (хотя она и не является непреодолимой) в том, что вам нужно посылать туда-обратно пучки фотонов и при этом постоянно отслеживать их пары, чтобы собрать достаточное количество информации.

Напоследок я оставил самое лучшее (или хотя бы мое любимое). В 1993 году Чарльз Беннет предложил еще одну идею использования запутанности – квантовую телепортацию. Как и всегда, она начинается с фотонов, однако есть вероятность, что однажды ее удастся провести и с более крупным объектом. Ключ к телепортации лежит в создании идеальной копии объекта, которая будет находиться в другом месте относительно самого объекта, – это как покупка музыкального файла в Интернете. Было доказано, что невозможно «клонировать» единичный фотон – то есть создать его точную копию с таким же квантовым состоянием. Однако телепортация может быть (и была) достигнута с использованием пары связанных фотонов. Сперва необходимо приготовить пару связанных фотонов, которые затем разносятся в разные места без проведения измерения их состояний. Затем один экспериментатор позволяет своему фотону взаимодействовать с чем-нибудь и записывает информацию о результате этого взаимодействия. Эта информация затем передается второму экспериментатору обычным способом (то есть не быстрее скорости света). Затем на основании этой информации обученный физик может повлиять на второй фотон таким образом, чтобы он стал точной копией первого. Второй фотон превращается в первый фотон. Это было сделано. Фотоны были успешно телепортированы сперва из одной части лаборатории в другую, а недавно и на расстояние в несколько километров.