Агентство стратегических инициатив (АСИ) по поручению президента Владимира Путина разрабатывает возможности реализации программы «Национальная технологическая инициатива». Ею предполагается, в частности, создание к 2035 году в России национального языка программирования, абсолютно безопасной связи на основе квантовых коммуникаций, появление оператора связи нового типа и технологии квантовой телепортации. О сути последней «Пермской трибуне» рассказал физик Александр Ощепков

Об учёном: Александр Юрьевич Ощепков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры компьютерных систем и телекоммуникаций Пермского государственного национального исследовательского университета (ПГНИУ), директор — главный конструктор Особого конструкторского бюро «Маяк» ПГНИУ

Что из себя представляет квантовая телепортация?

— Сразу замечу, что тут не идёт речь о той телепортации, которая представлена в научно-фантастических книгах и фильмах. То есть здесь не происходит мгновенного перемещения материальных тел в пространстве. Ярким образом такой телепортации является камера «нуль транспортировки» у Стругацких. На сегодняшний день сомнений в возможности подобного перемещения больше, нежели уверенности. Ведь это противоречит специальной теории относительности, которая предполагает, что перемещение материальных объектов не может осуществляться быстрее скорости света.

Квантовая же телепортация не предполагает перемещения объектов, а исходит из того, что микрообъекты, имеющие размеры порядка одного ангстрема (10−10 м) и менее, обладают квантовыми свойствами. Главное значение имеет свойство дуальности: свободный объект ведёт себя как волна, а с измерительным прибором взаимодействует как частица. Волновой характер позволяет, например, электрону или фотону находиться в суперпозиционном состоянии, то есть пребывать одновременно в нескольких из возможных фиксируемых состояний. Однако при взаимодействии с измерительным прибором суперпозиционное состояние разрушается, объект обнаруживается в каком-то одном конкретном состоянии. Таким образом, «истинное» состояние квантового объекта не может быть измерено или воспроизведено (клонировано). Зато благодаря именно волновой природе квантового объекта состояние одного из них может быть передано другому, удалённому от первого на какое угодно расстояние. В этом и состоит суть квантовой телепортации.

Почему квантовые свойства элементарных частиц стали интересны с прикладной точки зрения?

— Квантовые свойства давно используются в технических устройствах, например, принцип работы туннельного диода основан чисто на волновых свойствах электронов. Однако там речь идёт о больших (макроскопических) количествах частиц. Современные технологии достигли такого уровня развития, что позволяют работать с одной конкретной частицей. Уже можно говорить о разработке квантового компьютера, в котором информация будет записываться на одну молекулу или даже на разные спины в пределах одной молекулы вещества. Однако встаёт вопрос, как считать эту информацию, не разрушая состояния её носителя. Вот тут-то и может помочь квантовая телепортация. Кроме того, невозможность клонирования квантового объекта обеспечивает уровень безопасности передачи информации, недостижимый при использовании классических технологий.

То есть ключевая прикладная задача в рамках квантовой телепортации — передать и сохранить не саму частицу, а её состояние?

— Да. Квантовая телепортация как раз и может помочь управлять квантовым битом — кубитом (единица измерения квантовой информации, реализуемая двухуровневым объектом в суперпозиции). И здесь используется ещё одно квантовое свойство: если между двумя частицами произошло взаимодействие, после чего они удалились друг от друга на какое-то расстояние, то они, тем не менее, знают о состоянии друг друга. Это тоже следствие волновой природы частиц, ведь волны не привязаны к какой-либо точке в пространстве, они повсюду. Однако это характерно не для всех пар частиц, а лишь для специально подготовленных. Такое состояние пары частиц называют перепутанным.

схема

В чём заключается эта подготовка?

— Между двумя частицами нужно провести взаимодействие, организованное специальным образом. Давайте рассмотрим это на примере двух фотонов. Если световой пучок пропустить через специальный кристалл (с квадратичной нелинейностью), то на выходе возникнут два направления, в которых двигаются фотоны, находящиеся в перепутанном состоянии: каждый из двух фотонов может иметь или горизонтальную, или вертикальную поляризацию. Это ключевое условие, которое и позволяет провести квантовую телепортацию. Причём, измерив одну из этих частиц, например с горизонтальной ориентацией, мы будем знать, что второй фотон поляризован вертикально, независимо от того, на какое расстояние они разлетелись, будучи в перепутанном состоянии.

В чём здесь заключается сама телепортация?

— Итак, эти два перепутанных фотона разлетелись в разные стороны. Мы не знаем, в каком состоянии находятся первая и вторая частицы и добавляем к ним третью. Она вступает во взаимодействие в определённых искусственно созданных условиях с первой, они могут продолжить движение в одну сторону, либо тоже разлететься. В последнем случае состояние третьей (пробной) частицы будет точно таким же, как у второй (отскочившей ранее), то есть состояние третьей частицы переносится на состояние второй, причём мгновенно. Если третья частица находится в точке А, а вторая — в точке Б, то это означает, что состояние частицы из точки А мгновенно передалось в точку Б. Такая телепортация и может применяться в квантовых технологиях. И здесь обязательно нужно добавить, что информация о том, что произошла телепортация, передаётся из А в Б по обычному каналу связи, то есть не быстрее скорости света.

В чём преимущества квантового компьютера?

— Такой компьютер значительно расширяет вычислительные возможности. А самое главное — он позволяет значительно уменьшить размер существующей цифровой техники, ведь запись здесь будет производиться не на кремниевые кристаллы, из которых и состоят современные микросхемы (чипы), а на отдельные молекулы.

Кроме того, квантовая коммуникация сама по себе исключает возможность постороннего вмешательства в неё, так как такое внедрение сразу будет заметно.

Однако передавать эти частицы без потери их свойств на данный момент является сложной технической задачей, ведь то же оптоволокно обладает собственными свойствами, которые воздействуют на передаваемые частицы, разрушая их изначальные параметры. Сейчас удаётся осуществлять передачу информации с помощью квантовых технологий на 140 километров.

Не является ли заявленная правительством цель по разработке технологий квантовой телепортации популизмом в области высоких технологий, сравнимым с нанотехнологиями?

— Информационные технологии сейчас занимают всё большую долю на международном рынке. Если нам удастся добиться здесь прорыва, то успех может быть колоссальный.

Повторюсь, в случае удачных разработок носителем информации, ячейками для её хранения и передачи станут отдельные молекулы или даже атомы, а не кристаллические структуры, как сейчас. В этом случае изменятся и алгоритмы программирования. Битовую систему сменит кубитовая, где 0 и 1 будут представлены одновременно, а не попеременно, как сегодня.

При этом фундаментальная теоретическая основа в виде квантовой телепортации для такого прорыва уже имеется, но воплощение этих квантовых явлений в технологическом плане отсутствует. И сейчас есть возможность отказаться от экстенсивного варианта развития информационных технологий в виде расширения размеров суперкомпьютеров или увеличения количества ядер в процессорах, и принципиально изменить подходы к разработке нового информационного оборудования. В 2010 году в Сколково создан Российский квантовый центр, основной задачей которого как раз и является развитие квантовых технологий, в том числе применение методов квантовой информации.

Насколько это всё-таки решаемая задача?

— Поскольку есть теоретическая и экспериментально доказанная возможность создания квантового компьютера и обмена информацией на основе квантовых взаимодействий между частицами, то всё это вполне реально. Другое дело, что после этого в будущем развивать информационные технологии будет просто некуда, ведь пойти дальше и глубже молекул, атомов и элементарных частиц не представляется возможным — это предел. Может, мы ещё и не встали так остро перед подобной необходимостью.

Кстати, описанием запутанных состояний занимался ещё австрийский физик Шредингер в 30-е годы XX века, а доказать его предположения экспериментально удалось в конце 90-х, и только сейчас квантовые свойства отдельных частиц стали интересны всему миру в их прикладном аспекте. И здесь можно выделить три направления, которые предстоит решить для совершения скачка в информационных технологиях: разработать надёжные источники запутанных частиц, способы устойчивой передачи изначальных свойств специально подготовленных частиц без потерь и, наконец, специальные «ловушки», которые будут улавливать эти частицы, условно говоря, на «другом конце провода», обрабатывать и сохранять информацию, которую они передают.

Представьте себе технологический разрыв, который был между обычной и электронной почтой. Здесь же он может оказаться ещё более впечатляющим, причём уже относительно электронной почты.

Всё-таки далеко ли от квантовой телепортации до моментального перемещения физических тел?

— На сегодняшний день наука говорит о том, что физическая телепортация возможна только со скоростью света. Или же, как мы это видим в фантастических сюжетах, необходимо сканировать состояние всех частиц тела конкретного человека в точке А и транслировать эту информацию, опять же максимум со скоростью света, в точку Б. Но не факт, что в этой самой точке Б окажутся все те элементы, из которых состоит человеческий организм. Однако в самом этом процессе квантовые свойства материи не играют никакой роли. Они как раз могут пригодиться в том компьютере, на который и будут сохраняться данные сканирования.