Знание-сила, 2007 № 09 (963)

Такие сильно коррелированные системы нельзя рассматривать как независимые объекты, это единое целое независимо от того, на каком расстоянии они находятся друг от друга. И с помощью этой коррелированности перепутанных состояний удается передавать информацию. Один из протоколов квантовой криптографии, открытый в 1991 году, как раз использует состояние перепутанности. Это совершенно удивительная вещь. Она же используется в квантовых вычислениях, она же приводит к совершенно неожиданным следствиям. Например, благодаря этой перепутанности удается осуществлять квантовую телепортацию — экспериментально проверенное сначала на фотонах, а потом и на ионах, явление. При телепортации нужно передать из одной точки в другую неизвестное квантовое состояние, а не объект. Именно за счет связанных состояний это и удается сделать. Телепортация квантовых состояний, продемонстрированная экспериментально, лежит в основе квантовой информатики. Благодаря этому можно, например, осуществить и сверхплотное кодирование: с помощью переданного квантового однокубитного состояния можно передать два классических бита информации.

Подняться над постулатами

Сейчас происходит фундаментальное переосмысление некоторых вещей, которым раньше люди, занимающиеся квантовой физикой, не придавали значения. Что это означает? Законы квантовой механики достаточно хорошо поняты в постулате. Но знание законов или постулатов не означает глубокого понимания самих явлений. Красивый пример на этот счет приводит эксперт по квантовой информатике Майкл Нильсен (Австралия): если вы знаете правила игры в шахматы, это не означает, что вы станете экспертом этой игры. Кроме знания правил, надо понимать то, что лежит выше правил — некие эвристические закономерности, позволяющие достичь высот в этой игре.

Компьютеры в шахматах сейчас достойно соревнуются с людьми, которые не просчитывают все варианты или, по крайней мере, до конца их не просчитывают, но осмысливают правильную стратегию поведения. Так же и в квантовой информатике. Набор квантовых частиц удовлетворяет правилам квантовой механики, но что несет этот набор при достаточно большом количестве квантовых частиц (примерами замечательных многочастичных явлений являются квантовый эффект Холла и сверхпроводимость)? Как работать с такими системами, чтобы удовлетворять квантовым требованиям: передать информацию из одной точки в другую, затратить минимальную энергию, при этом информация должна быть достоверной, не должна потеряться в результате шумов или иного воздействия?

Чтобы это сделать, надо понять не постулаты квантовой механики, а более высокие принципы, базирующиеся на ее основах. В частности, оказывается, состояние перепутанности можно передать из одной системы объектов в другую. Эта перепутанность ведет себя примерно так же, как энергия. Если, например, рассмотреть процесс теплопередачи — это очень сложный процесс, но он описывается законами термодинамики. Так и перепутанность, с помощью которой можно осуществить и телепортацию, и сверхплотное кодирование, играет роль энергии, и надо сформулировать законы, подобные законам термодинамики, которые управляют процессом передачи перепутанности. Это открытая проблема, и сейчас ею многие занимаются, и уже есть интересные частные результаты, появилось много экспериментального оборудования.

Новая эра телекоммуникаций

Квантовая информатика — молодая область, ей, если говорить точно, 22 года, но особенно активно она развивается последние десять лет. Классические теории кодов очень хорошо разработаны. Яркое достижение последних лет в этой области заключается в следующем: чтобы передать голосовое или какое-то другое сообщение по шумящему каналу, надо дописать избыточную информацию в это сообщение. Затем по тому, как эти избыточные биты будут нарушаться, можно будет восстановить существенную часть информации. Это одна из теорий кодов, исправляющих ошибки.

Недавно была разработана теория квантовых кодов, исправляющих ошибки, основанная на явлении перепутывания. Это очень мощная вещь. Она позволяет четко утверждать, что теория передачи квантовой информации после решения определенных технических проблем будет надежна, но, в отличие от классической, абсолютно безопасна. Когда ее смогут передавать на расстояние более 200 километров, через спутники, тогда на Земле наступит новая эра телекоммуникаций.