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 подсистем
Квантовая запутанность подсистем
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.
Шумы и точность переноса состояний
Шумы и точность переноса 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.
Квантовая телепортация
Квантовая телепортация
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.
Держатель образца с микроволновыми волноводами в раскрытом алюминиевом экране;
Сверхпроводящий джозефсоновский параметрический осциллятор — центральный элемент, ответственный за генерацию квантовой запутанности в ГГц-диапазоне
Держатель образца с микроволновыми волноводами в раскрытом алюминиевом экране;
Сверхпроводящий джозефсоновский параметрический осциллятор — центральный элемент, ответственный за генерацию квантовой запутанности в ГГц-диапазоне
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.