Как все запутано - 22 Октября 2018

Физики из Российского квантового центра разработали метод восстановления квантовой запутанности — парадоксального механизма, предполагающего, что состояния «запутанных» частиц могут быть взаимозависимы даже тогда, когда они расположены слишком далеко друг от друга, чтобы срабатывало любое из известных физике видов взаимодействий. Это таинственное явление делает возможным существование бесконечного множества параллельных миров и лежит в основе большинства современных квантовых технологий, включая квантовый компьютер — «атомное оружие века кибернетики». «РР» расспросил профессора Александра Львовского о том, какие философские парадоксы таит в себе этот механизм и как квантовые технологии изменят нашу жизнь

Шары для Алисы и Боба

Как понять, что такое квантовая запутанность, не запутавшись самому?

Давайте, чтобы мы могли разобраться, я буду периодически обращаться к аналогии, в которой девочка Алиса на Венере и мальчик Боб на Марсе получают коробки с шариками. Начнем с такого эксперимента: мы отправляем Алисе и Бобу в запечатанных коробках два шарика, синего и красного цветов. Никто не знает, в какой коробке какой шарик. Боб получает коробку, открывает ее и видит шарик красного цвета. Значит, Алиса, даже не открывая своей коробки, знает, что у нее шарик синий.

Это может быть любая частица, но возьмем в данном случае фотон. Тогда цвет будет обозначать поляризацию фотона — угол, под которым происходит колебание электромагнитной волны. Алиса и Боб — две экспериментальные установки, которые получают эти фотоны. Мы отправляем два фотона с известными характеристиками, и по данным от одного из получателей знаем, что приходит второму. Но это пока не квантовая запутанность, а классическая корреляция свойств частиц.

А что происходит при квантовой запутанности?

Алиса и Боб получают не просто шарики разных цветов, а шарики неопределенного цвета. В коробку запечатываются шарики, у которых нет сформировавшегося цвета, — какими они станут, не знают и отправляющие посылку. И только когда Алиса или Боб открывают коробку, они нарушают это состояние неопределённости, и шарики приобретают цвет. И если Алисе достался красный, у Боба будет синий шарик. То есть шарик Алисы, приобретя цвет, мгновенно определил цвет шарика Боба! Такое мгновенное «действие на расстоянии» согласно законам классической физики, конечно же, невозможно. Никакое взаимодействие не могло бы произойти, преодолев расстояние от планеты к планете в сотни тысяч раз быстрее, чем скорость света.

А может у шариков уже в закрытой коробке есть цвет, только мы об этом не знаем?

Нет, и это можно доказать экспериментально. «Шарики» могут быть не просто разного цвета, но и различных размеров, форм. И Алиса, и Боб каждый раз могут измерять только одну из этих характеристик — и в результате такого измерения остальные характеристики становятся неопределёнными. Например, если Алиса определит цвет своего шарика, то потеряют определённость форма и размер.

Получается, что чем точнее мы измеряем одну характеристику частицы, тем менее точно можно измерить вторую? Но это ещё не доказывает, что шарики в коробке имеют неопределенный цвет или размер. Ведь можно изготавливать пары шариков, которые будут иметь случайные, но при этом всегда коррелированные характеристики — и если в одной коробке окажется красный, значит в другой будет синий.

Совершенно справедливо. Вы сейчас повторили возражение, которое высказал в 1935 году Альберт Эйнштейн. Вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он написал статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». Они сказали: допустим, Алиса определила цвет своего шарика, а Боб размер. Однако поскольку мы знаем экспериментально, что и цвета, и размеры шариков Алисы и Боба коррелированы, то выходит, что и Алиса, и Боб знают и цвет, и размер своего шарика. Получается мысленный эксперимент, в котором нарушается принцип неопределенности.

Физика против здравого смысла

Как же так: квантовая механика нарушает свой же собственный основополагающий принцип?

Именно это и хотел сказать Эйнштейн: «квантовая механика неполна». Он высказал надежду, что может быть, когда-нибудь, в будущем, удастся создать теорию, которая сможет объяснить экспериментальные результаты так же хорошо, как квантовая механика, но при этом не будет внутренне противоречива.

В которой не будет принципа неопределённости?

Ну, например. А главное, не будет того, что Эйнштейн называл «сверхъестественным действием на расстоянии». Не будет нарушения принципа причинности, то есть такого, чтобы действия Алисы могли мгновенно поменять свойства фотона, находящегося на другой планете у Боба.

И что же показал эксперимент? Правильна ли оказалась гипотеза Эйнштейна?

Гипотезы как таковой не было. Эйнштейн ведь не предложил конкретную альтернативу квантовой теории. Более того, он постулировал, что альтернативная теория будет предсказывать такие же экспериментальные результаты, что и квантовая теория. А значит, проверить такую «гипотезу» экспериментально в принципе невозможно. Поэтому следующие три десятка лет все научное сообщество рассматривало это обсуждение как сугубо философское.

Да, в 1964 году он придумал эксперимент, который давал ответ на вопрос, что всё-таки верно: квантовая механика или какая-нибудь альтернативная теория, основанная на принципе локальной причинности, то есть соответствующая нашему «здравому смыслу». Казалось бы, такое невозможно: как проверить теорию, про которую ничего не известно, кроме того, что она следует здравому смыслу? Однако оказалось, что возможно. Не делая абсолютно никаких предположений об альтернативной теории, можно построить установку, в которой квантовая физика предсказывает один результат, а здравый смысл — другой.

И каковы были его результаты? Действительно оказалось, что квантовая физика нарушает здравый смысл?

В 1972 году Клаузер и Фридман провели первые эксперименты, которые однозначно показывали, что да, принцип причинности нарушается, квантовая механика верна. В результате измерения первой частицы изменяется состояние у второй — и это значит, что наш мир не локален. Но, как часто бывает в науке, тогда эти важнейшие эксперименты никто не заметил. А эксперименты с тем же результатом, которые были замечены, были проведены в 1982 году Филиппом Гранжье и Аленом Аспе. С Гранжье мы, кстати, сейчас много работаем.

С 1980-х годов эксперименты по работам Белла стали очень популярны. Чему они были посвящены?

Все они закрывали так называемые «дыры», связанные с качеством детектирования и расстоянием между измеряемыми объектами. Меньше месяца назад появилась работа, в которой обе эти проблемы учитываются и решаются — теперь в гроб, где покоится здравый смысл, заколочен последний гвоздь.

«Не указывайте Богу, что ему делать»

И всё же, как физики объясняют нарушение причинности?

Очень интересным образом! Вы знаете, что такое суперпозиция? Это одновременное существование двух взаимоисключающих состояний. Допустим, у нас есть суперпозиция состояний «красный шарик у Алисы, синий у Боба» и «синий шарик у Алисы, красный у Боба». Открывая коробку и видя цвет шарика, Алиса и Боб становятся частью этой суперпозиции. Получается суперпозиция состояний «Алиса, видящая красный шарик, Боб, видящий синий шарик» и «Алиса, видящая синий шарик, Боб, видящий красный шарик». При этом Алисе кажется, что её шарик случайно оказался красным, а у Боба — синим. Но имеется другая, параллельная вселенная, в которой всё вышло наоборот.

Получается, случайностей нет, реализуются все возможные варианты развития событий?

Думаю, что все случайности изначально имеют квантовую природу. Квантовые флуктуации прямо влияют, например, на климатические явления. Ураган происходит спонтанно, но для того чтобы он родился, нужна какая-то небольшая флуктуация воздуха, ветра, которая потом где-то как-то лавинным образом усиливается. И поскольку эта флуктуация квантовая, наверняка есть параллельные вселенные, в которых урагана не было. Или совсем уж грубый пример: если я проиграл в рулетку, то я нахожусь в суперпозиции с самим собой выигравшим. То есть, где-то в другой вселенной есть я, в рулетку выигравший.

Не знаю, насколько это утешает... А эти вселенные, о которых вы говорите, материальны, или они гипотетические? Из одной вселенной в другую попасть можно?

Передвижение между параллельными мирами современной квантовой механикой не допускается. А вот их наличие является прямым логическим следствием универсальности квантовой механики.

Пока это только гипотеза: «квантовость» мира (то есть подчиняется ли он законам квантовой физики) проверена экспериментально только для микроскопических объектов: атомов, фотонов. В частности, мы недавно создали запутанное состояние света, содержащее сотни миллионов фотонов. А что касается массивных частиц, эксперименты проводились, самое большее, для массивных молекул — например, фуллеренов. Сейчас планируются работы с вирусами, но это уже будет очень сложный эксперимент, на грани возможного.

А почему квантовую физику трудно проверить для более крупных предметов?

Чем предмет крупнее, тем более активно взаимодействует он с окружающей средой, вовлекая вселенную в бесчисленные суперпозиции. А какие эксперименты можно делать, если сам экспериментатор и всё вокруг него — часть суперпозиции? Это мог бы только большой экспериментатор, способный охватить всю вселенную...

Вот о каком экспериментаторе говорилось в споре Эйнштейна и Бора...

Где он бросил знаменитое: «Бог не играет в кости?»

Да, и ему Нильс Бор ответил: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что ему делать»

Такова легенда. Но по сути ведь Эйнштейн был прав. Бог в кости не играет, но нам кажется, что играет, потому что у нас есть доступ лишь к небольшой части нашего мира...

Шифр, который нельзя взломать

Квантовая запутанность используется в самых разных технологиях. Много говорят, например, о квантовой криптографии. Современные шифры и так почти невозможно взломать, зачем нужно квантовое шифрование?

А как бы вы определили, что такое криптография?

Я бы сказала, что это метод шифрования передаваемой информации.

Точнее будет сказать, что это искусство передавать секретные сообщения по открытым каналам. Большинство шифров можно взломать — это может быть сложно, но выполнимо. Нельзя взломать шифр только одного типа. Это вещь довольно легкая, известная уже тысячелетиями. Работает это так: у наших Алисы и у Боба есть какой-нибудь секретный ключ, секретная последовательность нулей и единиц, которые они знают, а никто другой не знает. Алиса может зашифровать свое сообщение с помощью этой последовательности и передать по открытому каналу. Тогда любой сможет прочитать сообщение, но не понять его — это можно сделать только с помощью ключа, который есть лишь у самой Алисы и у Боба. Проблема в том, как Алисе передать Бобу криптографический ключ таким образом, чтобы он остался секретным. То есть она должна послать какого-то курьера, с чемоданом, полным дисков с кодами. Но курьера можно поймать, диски скопировать. Конечно, можно себя разными способами обезопасить, но организовать этот процесс будет очень сложно и дорого.

И как квантовая криптография эту проблему решает?

В этом случае ключом является состояние передаваемых фотонов. Их в принципе нельзя измерить, не повлияв на процесс передачи. Если на линии появляется шпион, который эти фотоны крадет и измеряет, он будет неизбежно менять состояние этих фотонов. И Боб сразу поймет, что там что-то не так. Часть сообщения всегда передается для проверки по открытым каналам, периодически Алиса и Боб будут сверяться.

Да, она существует, но до массового использования далеко. Мы сейчас в Российском квантовом центре разрабатываем приборы для квантового шифрования, которые можно будет промышленно выпускать. Они позволят передавать информацию через имеющиеся оптоволоконные каналы: по этим линиям будут посылаться слабые квантовые импульсы. Проблема в том, что эти импульсы, проходя по волоконным линиям, ослабевают с расстоянием до такой степени, что просто теряются. В современных волокнах половина фотонов теряется каждые 10-15 километров.

В классической оптической коммуникации обычно используют усилители сигнала.

Да, но в квантовой коммуникации мы не можем применить такой усилитель. Ведь они сначала измеряют состояние фотона, а потом передают дальше то, что намерили. А как только измерение проведено, состояние меняется! То есть работу усилителя никак нельзя отличить от вмешательства шпиона. Для того чтобы этого эффекта избежать, нужны квантовые повторители — название похожее, а по сути это совершенно другое.

Именно. Распределяя запутанное состояние между Алисой и Бобом, мы добиваемся того, что они получают фотоны, которые могут измерить и получить какой-то коррелированный ключ. То есть, если Алиса у себя обнаруживает синий шарик, Боб обнаруживает красный. Они получают последовательность нулей и единиц, которой нет ни у кого другого. К сожалению, и в этом случае во время передачи фотоны слабеют и теряются. И нам нужно придумать способ возвращать запутанность, восстанавливать ее после потерь. В нашем последнем эксперименте, результаты которого недавно были опубликованы в Nature Photonics, именно эта задача решается: мы нашли способ восстанавливать запутанность, которая «распуталась» при передаче на дальнее расстояние.

Телепортация на планету Бета Зет

А расскажите пожалуйста еще про телепортацию — она существует?

Да, но не в привычном понимании: мы телепортируем не сам объект, а его состояние. Это как раз можно осуществить, используя квантовую запутанность.

А расскажите, как это работает, на примере Алисы и Боба!

Допустим, мы хотим передать квантовое состояние «шарика» от Алисы на Венере к Бобу на Марсе. Для этого Алиса и Боб получают два запутанных шарика с Земли. Это другие, посторонние шарики, не имеющие отношения к тому, который Алиса хочет передать. Далее Алиса кладет свой шарик вместе с полученным в один аппарат, и этот аппарат выдает какой-то результат измерения по этим двум шарикам. Ее два шарика уничтожаются. Но у Боба волшебным образом оказывается копия первоначального шарика Алисы — она образуется из того запутанного шарика, состояние которого было неопределенным.

То есть телепортацией это называют потому, что фотон уничтожается в одном месте, и сразу же в другом месте появляется его точная копия?

Если говорить грубо, то да. Это происходит только при определенных результатах измерения фотонов — в случае других результатов процедура немного усложняется… В этом месте меня студенты обычно спрашивают, можно ли телепортировать человека.

Я постеснялась спросить. Все-таки между фотоном и человеком разница большая.

Да-да. Но даже если это можно было бы сделать, я вам опишу, насколько сложным будет процесс. Для того, чтобы телепортировать капитана Пикарда с Земли на планету Бета Зет, надо сделать двух других Пикардов и привести их в запутанное состояние. Затем на планету Бета Зет нужно доставить одного из этих новых Пикардов, а над вторым Пикардом из пары — вместе с «первоначальным» — произвести измерение. В результате этого измерения двое на Земле уничтожатся, а Пикард на Бета Зет приобретёт определённое состояние.

Да, звучит забавно. А дублировать Пикарда нам квантовая физика может позволить? Говорят же еще о каком-то квантовом клонировании.

Под этим термином понимают гипотетическую процедуру копирования состояния: возможность сделать несколько копий того же самого поляризационного состояния. Это позволило бы «подслушивать» передаваемую при помощи квантовой криптографии информацию, потому что тогда шпион мог бы сделать много копий фотона, одну из копий послать дальше, а остальные проанализировать. Но оно невозможно ни теоретически, ни практически — сделать это не позволяют законы квантовой физики.

Невозможно клонировать точно, а с некоторой ошибкой — можно. Чем больше копий мы делаем, тем больше ошибок. Насколько можно эту ошибку уменьшить — вопрос интересный с точки зрения и теоретической, и экспериментальной. В частности, это помогает нам лучше понять квантовую физику — а ведь мы в этом понимании невероятно продвинулись за последние 20 лет. А развилась эта область благодаря небольшой группе физиков, которые задавали парадоксальные вопросы и могли глубже понять суть квантовых процессов. Теперь этот высокий теоретический уровень позволяет говорить о новых технологиях, основанных на принципах квантовой физики — технологиях, которые сильно изменят нашу жизнь.

Вторая квантовая революция

И главная такая технология будущего — квантовый компьютер?

Одна из них. Но люди часто неверно понимают ее ценность. Как вы думаете, в чем основное предназначение квантового компьютера?

Он сможет заменить нынешние компьютеры в тех областях, где им не хватает мощности.

Это верно, но лишь отчасти. Во-первых, для обычных пользователей при всей своей мощности он будет бесполезен. Вы ведь не математикой занимаетесь на своем компьютере. А во-вторых, квантовый компьютер имеет преимущества только для решения определённого, очень ограниченного класса задач.

В частности, квантовые компьютеры могут раскладывать числа на простые множители — решения этой задачи достаточно для взлома криптографических кодов. Поэтому государства заинтересованы в их создании, поэтому в это направление вкладывают большие деньги.

Нет. Те коды, о которых мы говорили раньше — где у Алисы и Боба есть секретный ключ — нельзя взломать в принципе. И перед квантовой криптографией квантовый компьютер бессилен. Однако большая часть современной криптографии использует так называемый метод с открытым ключом. Банковская, медицинская, деловая информация передается с помощью этого способа. И такой код оказывается доступным для расшифровки квантовым компьютером. А ведь информация, её безопасность — краеугольный камень современного общества. И если у кого-то появится компьютер, который будет способен нарушить эту информационную структуру, это будет иметь для общества колоссальные разрушительные последствия. Поэтому квантовый компьютер даже называют «атомной бомбой XXI века».

Он работает с битами, которые могут находиться не только в одном из двух состояний, 0 или 1, а могут быть в суперпозиции обоих состояний. Это так называемые квантовые биты или кубиты. Такие кубиты могут быть в запутанном состоянии, в котором можно закодировать большое количество задач в виде квантовой суперпозиции. Тогда квантовый компьютер будет решать их одновременно, параллельно.

А что умеют делать первые прототипы квантовых компьютеров?

Пока мы научились разлагать число 15 на простые множители. Я понимаю, что звучит смехотворно, но любая большая технология начинается с детских шажков. Сейчас намечается прорыв в области сверхпроводящих кубитов — посмотрим, насколько он все изменит. Вообще, мне кажется, сейчас происходит стремительное развитие именно квантовой практики — больше, чем квантовой теории. Нынешний период можно даже назвать второй квантовой революцией.

Лет 60 назад, в эпоху создания транзистора и лазера — ведь действие этих приборов основано на законах квантовой физики. И благодаря им мир в значительной мере стал таким, каким мы видим его сегодня: с телевизорами, телефонами, оптоволоконной связью.

Сейчас мы учимся манипулировать сложными квантовыми системами на уровне их отдельных компонентов — электронов и ионов в кристаллической решётке, например. Благодаря этому стали возможными все те технологии, о которых мы говорили, и появятся новые. Например, квантовые датчики: металлические решетки с квантовым дефектом (скажем, отсутствует атом в решетке). Состояние этого дефекта будет формироваться из-за влияния окружающей среды. Измеряя это состояние, мы получаем такой сверхчувствительный магнитометр с колоссальным пространственным разрешением. Такой передатчик можно внедрить в клетку и понять, как она работает, как лечить ее болезни. Или внедрить в мозг и изучать, как взаимодействуют нейроны. А потом создать искусственный интеллект.

Возможно, фантастикой это останется недолго.