Телепортация, которую можно будет использовать в следующих поколениях сотовой связи

Обычные эксперименты по квантовой телепортации выполнимы лишь в оптическом диапазоне, но многие прикладные системы работают на совершенно других частотах. Этот разрыв преодолен в недавнем эксперименте с участием автора, продемонстрировавшем возможность квантовой телепортации на радиочастотах. Потенциально становится возможным использование квантовой телепортации как средства защищенной связи на частотах 5G- и будущих 6G-сетей.

Телепортация — явление хорошо известное в современной культуре. Как термин оно было порождено фантастикой раннего XX века и подхвачено киноиндустрией. Как правило, телепортация заключается в моментальном переносе объекта через пространство. Исчезновение в точке А и появление в точке Б. Концепция телепортации как вида транспорта весьма притягательна, но в данный момент технически недостижима.

Квантовая телепортация

Квантовая же телепортация — явление вполне реализуемое. Оно завязано на переносе квантового состояния, а не самого объекта, между физическими подсистемами, расположенными в точках А и Б и удаленными друг от друга на значительное расстояние. Сами эти подсистемы, то есть физические носители квантовых состояний, могут быть весьма различными: это могут быть холодные атомы, электронные спины, кванты электромагнитного излучения (фотоны), сверхпроводящие квантовые биты и так далее. Объединяющее свойство всех этих систем заключается в том, что они обладают ярко выраженным квантовым поведением при определенных условиях. Как правило, условия создаются за счет охлаждения этих систем и защиты их от внешних шумов.

Уникальная черта квантовой телепортации заключается в том, что при процессе переноса состояния само это состояние и связанная с ним информация не обязаны непрерывно перемещаться между точками А и Б. Напротив, они исчезают в первой точке и снова возникают во второй. Такой экзотический процесс перемещения требует использования экзотических квантовых эффектов, как говорят, квантового ресурса. Этим таинственным ресурсом служит квантовая запутанность.

Квантовая запутанность

Запутанность — одно из ключевых понятий в современной квантовой механике, связанное с невозможностью полного описания запутанной системы по частям. Иначе говоря, физическая система в запутанном состоянии может обладать строго нулевой энтропией, что соответствует идеальному порядку, не содержащему никаких классических флуктуаций. В то же время части этой системы (запутанные подсистемы А и Б) по отдельности могут выглядеть исключительно как классический шум с ненулевой энтропией. Суть запутанности — в существовании квантовых корреляций между подсистемами, которые становятся видны только при рассмотрении всей системы целиком, а локально выглядят как шум. Это картина соответствует одному из общепринятых определений квантовой запутанности. В дальнейшем эти квантовые корреляции могут быть использованы в различных целях, к примеру для реализации квантовой телепортации фотонных состояний.

Перенос с идеальной точностью

С практической точки зрения квантовая телепортация интересна не только эдаким развоплощенным способом переноса состояний, но и тем, что этот перенос может быть в принципе выполнен с идеальной точностью. Что в этом такого, можете спросить вы. Проблема заключается в существовании квантовых шумов вакуума — вездесущих и неизбывных. Эти шумы невозможно «выключить» или отфильтровать, они присутствуют везде и всегда. Их существование связано с фундаментальным принципом неопределенности Гейзенберга в квантовой механике. Этот вездесущий квантовый шум ответственен за то, что в общем случае невозможно измерить неизвестное квантовое состояние с идеальной точностью, чтобы потом передать информацию о нем между точками А и Б. Это приводит к существованию некоего порогового значения точности на перенос состояний. Этот предел связан с еще одним глубинным принципом квантовой механики — теоремой на запрет клонирования состояний. Эта теорема говорит о том, что невозможно скопировать неизвестное квантовое состояние с идеальной точностью, но при определенных условиях квантовая физика разрешает уничтожить исходное состояние и с идеальной точностью воссоздать его где-либо еще. Такой процесс позволяет преодолеть пороговую точность переноса и неявным образом обойти теорему на запрет клонирования. Как читатель может заметить, подобная процедура соответствует квантовой телепортации.

Идеальная защита от взлома

С точки зрения протоколов связи существование предела на точность передачи квантовых состояний открывает захватывающие перспективы. В первую очередь это связано с защитой передаваемой информации. В современных протоколах связи, к примеру в тех, что применяются в наших смартфонах, для защиты передаваемых данных, как правило, используются асимметричные математические задачи, наподобие факторизации больших чисел или дискретного логарифма. Потенциальный ответ в подобных задачах легко проверить на истинность, имея на руках исходные данные (ключи), но чрезвычайно сложно найти исходные ключи, обладая лишь ответом. Эта асимметрия порождает вычислительную защиту данных — просто за счет того, что для факторизации достаточно длинных чисел требуются годы или десятилетия вычислений на лучших суперкомпьютерах мира.

Современные протоколы защищенной передачи данных, к примеру популярный RSA-протокол, используют подобные ассиметричные математические задачи для безопасной передачи данных через публичные каналы связи. Тем не менее взлом всегда остается потенциальной опасностью, особенно в свете постоянного прогресса в области классических вычислений. Более того, зарождающиеся квантовые компьютеры обещают сделать ряд асимметричных математических проблем, включая факторизацию, тривиальными. Грубо говоря, это будет означать повсеместное исчезновение возможности передавать информацию защищенным образом.

Здесь-то на сцену и выходит квантовая телепортация в сочетании с порогом точности на передачу информации и теоремой на запрет клонирования. Можно строго математически доказать, что при телепортации состояний между точками А и Б с точностью, превышающей этот предел, закодированная в телепортируемом состоянии информация оказывается необусловленно защищена от взлома. Здесь термин «необусловленно» подчеркивает тот факт, что защита информации обусловлена не свойствами какой-либо математической проблемы или практическими ограничениями каких-либо вычислительных устройств, а физическими законами.

Говоря несколько иначе, принципиальная невозможность взлома протокола квантовой телепортации связана с тем, что квантовые флуктуации и связанная с ними квантовая запутанность совершенно случайны для внешнего наблюдателя. Как результат, все возможные варианты закодированной информации оказываются равновероятными с точки зрения внешнего наблюдателя или взломщика. Поэтому вероятность взлома подобного протокола шифрования экспоненциально быстро стремится к нулю с ростом длины передаваемого сообщения. Этими и подобными вопросами защищенной передачи информации с использованием квантовых эффектов занимается современная область науки — квантовая криптография.

А теперь все это — на радиочастотах

До недавнего времени эксперименты по квантовой телепортации и криптографии всегда выполнялись в оптическом диапазоне. Это означает, что сигналы, передающие квантовые корреляции, имеют частоты порядка 200 ТГц, что соответствует инфракрасному излучению. Это очень удобно, если речь идет о телепортации состояний на дальние дистанции, через оптоволоконные кабели или с помощью низкоорбитальных спутников. Однако многие современные прикладные квантовые системы работают на совершенно других частотах и плохо совместимы с оптикой. Ярко выраженным примером таких систем являются квантовые схемы на сверхпроводящих квантовых битах (кубитах). Подобные схемы — один из ведущих кандидатов на роль будущих полноценных квантовых компьютеров, они работают на частотах порядка нескольких гигагерц (радиочастотный диапазон волн, также называемых микроволнами). Связать сверхпроводящие квантовые системы в единую квантовую сеть, используя их же «родной» радиочастотный язык,— означает заложить основы для будущих квантовых локальных сетей и квантового интернета. В данном контексте квантовая телепортация является одним из базовых протоколов связи квантового интернета.

До недавнего времени квантовая телепортация в микроволнах представлялась нереализуемой из-за большего числа трудностей как фундаментального, так и технического характера. Отчасти это связано с тем, что электромагнитная длина радиоволн на три-четыре порядка больше, чем соответствующие длины волн оптических фотонов. Это усугубляет проблемы, связанные с тепловым шумом и его негативным влиянием на квантовую запутанность. Все эти затруднения были успешно преодолены в недавнем эксперименте, детали которого опубликованы в журнале в Science Advances сотрудниками Института Вальтера Мейснера (Гархинг, Германия). Работа продемонстрировала принципиальную возможность квантовой телепортации в радиочастотном диапазоне. В качестве основной рабочей лошадки этого эксперимента исследователи использовали сверхпроводящие джозефсоновские параметрические устройства для генерации запутанных микроволновых состояний с характерными частотами около 5 ГГц, а также для дальнейших манипуляций с ними.

Главный результат этой работы заключается в успешной квантовой телепортации фотонного состояния на дистанцию около полуметра с точностью переноса, превышающей пороговое значение. Последнее возможно лишь при использовании квантовой запутанности. Это дает основания говорить об успешной квантовой телепортации и одновременно обещает абсолютную, необусловленную защиту телепортируемой информации в радиочастотном диапазоне. Последнее свойство является особенно важным для потенциального использования микроволновой квантовой телепортации в качестве средства защищенной связи, совместимой с частотной инфраструктурой 5G- и будущих 6G-сетей. С другой стороны, реализация микроволновой квантовой телепортации открывает широкие возможности по созданию локальных квантовых сетей в привычном гигагерцевом диапазоне. Подобные сети помогут связать уже существующие прототипы сверхпроводящих квантовых схем в единый квантовый компьютер уже в ближайшем будущем.

Для достижения вышеупомянутых целей предстоит решить еще немало технических проблем, а также лучше понять фундаментальные особенности квантовой связи в радиочастотном диапазоне. В частности, одна из захватывающих промежуточных целей заключается в реализации так называемых квантовых «повторителей», которые позволят радикально увеличить дистанции распределения квантовой запутанности путем дистилляции квантовых корреляций. Другие, более фундаментальные вопросы связаны с возможностями квантовой коррекции ошибок и использованием многочастичной квантовой запутанности.

Кирилл Федоров, Институт Вальтера Мейснера, Баварская академия наук, Гархинг, Германия; физический факультет, Технический университет Мюнхена, Гархинг, Германия