Новости науки 06.01.02. Экспериментальное доказательство нелокальной
природы квантовой телепортации.
Одно из самых удивительных явлений, имеющих принципиально квантовомеханическую
природу, - квантовая телепортация, возможность переноса квантового
состояния одного объекта на другой объект. Эксперименты, проведенные
в группе А.Цайлингера в Венском университете, убедительно продемонстрировали
нелокальную природу квантовой телепортации.
Квантовая механика запрещает "клонирование" состояний, т.е. невозможно,
получив полную информацию о квантовом объекте A (изначально его
состояние неизвестно), создать второй, точно такой же, объект, не
разрушив первый. Однако, как было теоретически показано в начале
90-х годов прошлого века, возможно, разрушив квантовое состояние
A в одной точке пространства, создать точно такое же в другой точке;
эта процедура получила название "квантовой телепортации". Квантовая
телепортация была продемонстрирована на практике в 1997 г. в группе
А.Цайлингера в Венском университете.
Рис.1. Логическая схема эксперимента.
Ключевую роль в квантовой телепортации играют так называемые запутанные состояния. Примером системы, находящейся в
запутанном состоянии, являются два фотона, появившиеся в результате
спонтанного параметрического распада фотона, распространяющегося
в среде с квадратичной нелинейностью (например, в кристалле BaB2O4)
- именно так получались пары запутанных фотонов в экспериментах,
о которых речь пойдет ниже. Для запутанных фотонов нельзя указать,
какова поляризация каждого из фотонов пары; если же произвести измерение
над одним фотоном и - тем самым - определить его поляризацию, то
и поляризация другого фотона также станет определенной. Стоит подчеркнуть,
что производя измерение над одной частицей мы в тот же момент
определяем и состояние другой частицы, как бы далеко эти частицы
друг от друга ни находились. Таким образом, связь между частицами
носит принципиально нелокальный характер. Действительно, в рамках
классического подхода после того, как система распалась на составные
части, никакое воздействие на одну из частей не может изменить состояние
другой части, если частицы не взаимодействует. И более того, поскольку
скорость распространения сигнала не может превышать скорости света,
то при определенных условиях - в рамках классического подхода -
воздействие на одну часть системы никаким образом не может
повлиять на другую часть системы. В математическом виде это утверждение
было сформулировано Дж.Беллом в 1964 г. в виде так называемых неравенств
Белла, нарушение которых означает невозможность описать систему
классическим образом.
Упрощенно схему квантовой телепортации можно представить себе
следующим образом. Алисе и Бобу (условные персонажи) посылаются
по одному фотону из пары запутанных фотонов. Алиса имеет у себя
частицу (фотон) в (неизвестном ей) состоянии A; фотон из пары и
фотон Алисы взаимодействуют ("запутываются"), Алиса производит измерение
и определяет состояние системы из двух фотонов, оказавшейся у нее.
Естественно, первоначальное состояние A фотона Алисы при этом разрушается.
Однако фотон из пары запутанных фотонов, оказавшийся у Боба, переходит
в состояние A! В принципе, Боб даже не знает при этом, что произошел
акт телепортации, поэтому необходимо, чтобы Алиса передала ему информацию
об этом обычным способом.
Как ясно из вышесказанного, возможность квантовой телепортации
связана с нелокальным характером квантовой механики. В работе [1]
группы ученых из Венского университета с высоким уровнем статистической
достоверности экспериментально продемонстрировано, что неравенство
Белла нарушается и квантовая телепортация действительно имеет нелокальную
природу. В этих экспериментах квантовая телепортация осуществлялась
несколько более сложным способом, чем описывалось выше; телепортируемое
состояние само по себе являлось запутанным. Генерировалось две пары
запутанных фотонов (на рис.1 приведена "логическая" схема эксперимента,
а на рис.2 - ее приборная реализация), из каждой пары по одному
фотону (0 и 3) направлялось Бобу, и по одному (1 и 2) - Алисе. Алиса
производила измерение над фотонами 1 и 2, в результате чего пара
фотонов оказывалась в одном из четырех возможных запутанных состояний
(при этом фотоны 0 и 3 также оказывались в определенном
запутанном состоянии); результаты измерения сообщались Виктору.
Особенность ситуации в том, что фотоны 0 и 3 первоначально не
находились в запутанном состоянии, их запутанность порождалась
действиями Алисы над фотонами 1 и 2. Боб проводил поляризационные
измерения над каждым из фотонов 0 и 3 (и также сообщал результаты
Виктору). Виктор проводил сравнение результатов измерений и мог
фиксировать нарушение неравенства Белла, что и было сделано.
Рис.2. Схема эксперимента. Пары запутанных фотонов генерировались
при прохождении импульса ультрафиолетового лазера через кристалл
BaB2O4. После спектральной фильтрации фотоны
поступали в одномодовое оптоволокно и направлялись Бобу и Алисе.
Австрийские ученые также провели эксперимент в модифицированном
виде. Регистрация фотонов Бобом происходила до того как
Алиса производила свое измерение. Оказалось (как и следует ожидать
в рамках квантовой механики), что это никак не повлияло на результаты
эксперимента. В рамках классического подхода возникает неразрешимый
парадокс - позднейшее по времени действие Алисы влияет
на результат более раннего действия Боба. Однако с квантовомеханической
точки зрения парадокса нет: наблюдаемый эффект надо понимать так,
что физическая интерпретация результатов Боба зависит от
позднейшего решения Алисы.
1. Thomas Jennewein, Gregor Weihs, Jian-Wei Pan, and Anton Zeilinger.
Phys.Rev.Lett. v.88, 017903 (2002).
|