Николя Жизан - Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса

Изначальная ненадежность передачи не должна быть слишком велика. Поэтому импульсы, которые Алиса отправляет Бобу, должны быть достаточно слабыми, чтобы ограничить частоту многофотонных импульсов.

Дополнительные детали см. в: N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, H. Zbinden: Quantum cryptography , Rev. Mod. Phys. 74, 145–195 (2002); V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, N. Cerf, M. Dusek, N. Lukenhaus, M. Peev: The security of practical quantum key distribution , Rev. Mod. Phys. 81, 1301 (2009).

Я расскажу небольшую историю, чтобы вы поняли, насколько мы продвинулись с начала второй квантовой революции в 1990-х годах. В 1983 году я был молодым постдоком в Соединенных Штатах. Однажды ко мне подошел уважаемый профессор, с сияющей улыбкой на лице, и сообщил мне, что только что спас мне жизнь. Он был рецензентом одной из моих ранних научных публикаций, в которой я совершил страшное богохульство, написав, что в квантовой физике представляется возможным, что «система может исчезнуть здесь и появиться вновь где-то еще». Сегодня это напоминает телепортацию, но тогда я вовсе не думал в таком ключе. Это была интуиция. Мой «спаситель» принял мою работу к публикации при непременном условии, что вышеупомянутое богохульство будет исключено. В те времена такое заявление могло навлечь на меня всеобщее порицание! Интересно, сколько возможностей было упущено благодаря уважаемым профессорам, утверждающим раз за разом, что Бор уже все объяснил? Сколько талантливых молодых умов в результате ушло из физики? И сколько уважаемых профессоров до сих пор утверждают, что Бор действительно все объяснил?

Bennett C. H., Brassard G., Crepeau C., Jozsa R., Peres A. and Woottters W. K.: Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels , Phys. Rev. Lett. 70, 1895–1899 (1993).

Именно так мы начали нашу статью о первом большом эксперименте по телепортации. Однако редакторы знаменитого журнала Nature отказались печатать цитаты Аристотеля по причине их древности! Я настойчиво убеждал моих студентов забыть об идее опубликоваться в Nature, но давление было слишком велико, и в итоге мы сдались требованиям редакторов. См.: I. Marcikic, H. de Riedmatten, W. Tittel, H. Zbinden, N. Gisin: Long-distance teleportation of qubits at telecommunication wavelengths I , Nature 421, 509–513 (2003) (представленный вариант: arXiv: quant-ph/0301178).

Фотон с определенной поляризацией всегда будет проходить через соответствующий поляризатор. С другой стороны, совершенно неполяризованный фотон всегда будет иметь один шанс из двух пройти через любой поляризатор, вне зависимости от направления последнего. В первом случае фотон несет в себе структуру, которую поляризатор может подтвердить, а во втором вероятности получения ответов «прошел» или «не прошел» будут равны 50 %, какой бы поляризатор ни использовался, ведь этот фотон не несет в себе такой структуры.

Как мы видели в главе 6, энергия фотона может быть неопределима. На самом деле это справедливо и для массы, к примеру конденсата Бозе – Эйнштейна. Важно, чтобы вещество, масса или энергия уже присутствовали в пункте назначения, хотя бы потенциально.

Для читателей-физиков: это так, если мы телепортируем все характеристики фотона. Если мы телепортируем только поляризацию, фотоны будут неразличимы лишь в том случае, если их остальные характеристики, такие как спектр, были неразличимы изначально.

Здесь я должен признаться, что существует множество запутанных состояний. До сих пор, чтобы не усложнять, я всегда говорил о запутанности, при которой одни и те же измерения неизменно дают один и тот же результат. Однако существуют и другие запутанные состояния. К примеру, есть такие состояния, при которых одни и те же измерения всегда дают различные результаты. Есть и множество других, но для наших целей они не понадобятся. Для читателей-физиков скажу, что существует четыре ортогональных состояния максимальной запутанности для поляризации двух фотонов. Для каждого из них Боб может выполнить поворот (унитарное преобразование) поляризации своего фотона таким образом, чтобы он пришел точно в начальное состояние фотона Алисы, причем не зная, каким было это состояние.

Для этого он должен «развернуть» состояние фотона. К примеру, если кубит закодирован в поляризации, Боб должен обратить состояние поляризации при помощи кристалла с двойным лучепреломлением.

В принципе факт потери фотона не особенно важен, если только мы знаем об этом до того, как задать ему вопрос, то есть до смещения джойстика влево или вправо. В противном случае фотон может решить как-нибудь потеряться всякий раз, когда он находит вопрос неудобным.