Квантовая телепортация

Основные статьи: Квантовый компьютер, Квантовая криптография

Квантовая телепортация основанная на запутанных квантовых состояниях, используется в таких интенсивно исследуемых областях, как квантовые вычисления и квантовая криптография.

Идея квантовых вычислений была впервые предложена Ю. И. Маниным в 1980 г. На сентябрь 2011 года полномасштабный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, построение которого связано со многими вопросами квантовой теории и с решением проблемы декогеренции. Ограниченные (в несколько кубитов) квантовые «миникомпьютеры» уже создаются в лабораториях. Первое удачное применение с полезным результатом продемонстрировано международным коллективом учёных в 2009 году. По квантовому алгоритму была определена энергия молекулы водорода. Впрочем, некоторыми исследователями высказывается мнение, что для квантовых компьютеров запутанность является, наоборот, нежелательным побочным фактором.

Квантовая криптография используется для пересылки зашифрованных сообщений по двум каналам связи, квантовому и традиционному. Первый протокол квантового распределения ключа BB84 был предложен  Беннетом  и Брассардом  в 1984 году. С тех пор квантовая криптография являлась одним из бурно развивающихся прикладных направлений квантовой физики, и к 2011 году несколькими лабораториями и коммерческими фирмами были созданы работающие прототипы передатчиков и приёмников. Следует отметить, что идея и привлекательность квантовой криптографии базируется не на какой-то повышенной или же «абсолютной» криптостойкости, а на гарантированном уведомлении, как только кто-либо попытается перехватить сообщение. Последнее же базируется на известных к началу разработок законах квантовой физики и в первую очередь на необратимости коллапса волновой функции. В связи с открытием и успешным тестированием обратимых слабых квантовых измерений основы надёжности квантовой криптографии оказались под большим вопросом. Возможно, квантовая криптография войдёт в историю, как система, для которой прототип «абсолютно надёжного» передатчика и прототип перехватчика сообщений были созданы почти одновременно и до начала практического использования самой системы.

Физики впервые смогли перехватить сообщение, закодированное при помощи методов квантовой криптографии, причем получатель не узнал, что код был перехвачен. Ученые описали способ, при помощи которого им удалось взломать код, в статье в журнале Nature Communications. Коротко о работе пишет портал Physics World.

Для защиты передаваемых сообщений используется свойство квантовых систем изменяться при измерениях - если до измерения система находится в суперпозиции нескольких состояний, то после проведения измерения происходит так называемый коллапс волновой функции и система оказывается в одном из состояний. Таким образом, если некий злоумышленник (в задачах по квантовой криптографии его принято называть Евой от английского Eve, которое является сокращением от слова "eavesdropper" - подслушивающий) прочтет закодированное сообщение, то он неизбежно изменит его, и это изменение сможет обнаружить получатель (его принято называть Боб).

Одним из способов кодирования сообщений заключается в том, что код передается в форме фотонов различной поляризации. Отправитель (Алиса) передает код, все фотоны в котором имеют одну или другую поляризацию, причем выбор одного из состояний происходит случайным образом. При прочтении сообщения Боб также случайным образом выбирает поляризатор, при помощи которого считывает сообщение. В случае выбора неправильного поляризатора результат измерения окажется случайным.

Соответственно, в некоторых случаях результаты измерения Боба будут верными, а в некоторых - нет. После того, как все измерения выполнены, Боб по открытому каналу отправляет Алисе информацию о том, как он считывал поляризацию в каждом случае, не сообщая собственно результатов измерения. Алиса тоже по открытому каналу отвечает Бобу, в каких случаях он ошибся. Отбросив результаты неправильных измерений, Боб получит данные о последовательности фотонов, закодированных Алисой - эта переданная Бобу секретная информация получила название первичный ключ.

Чтобы проверить, не был ли взломан код, Алиса и Боб по открытому каналу сравнивают значения некоторых измерений. Если Ева перехватила часть посланных Алисой, то результаты по крайней мере части этих измерений будут неверными.

Авторы новой работы предложили способ обойти этот принципиальный барьер и реализовали его на практике. Слабым местом всей системы является детектор, при помощи которого Боб считывает поляризацию фотонов. Если "ослепить" его при помощи лазера (то есть насытить фотонами до некоторого критического значения), детектор теряет способность различать отдельные кванты света и начинает работать как классический прибор. Перехватывая каждый посланный Алисой фотон, Ева измеряет его поляризацию и посылает на детектор Боба луч света, интенсивность которого превосходит пороговое значение, причем поляризация фотонов в луче совпадает с поляризацией перехваченного фотона. В итоге при сверке Алиса и Боб не находят признаков взлома.

Используя созданную ими схему, ученые смогли перехватить закодированные сообщения, передаваемые по внутренней сети Национального университета Сингапура. В будущем авторы намерены разработать систему защиты сообщений от подобного метода перехвата. Одним из возможных решений может стать установка непосредственно перед детектором Боба устройства, которое через случайные промежутки времени испускает одиночные фотоны. Если детектор будет систематически "пропускать" их, Боб узнает о том, что Ева перехватывает посланное сообщение.

Квантовая запутанность (сцепленность)—квантовомеханическое явление, при котором квантовое состояние двух или большего числа объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Вследствие этого возникают корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами объектов. Например, можно приготовить две частицы, находящиеся в едином квантовом состоянии так, что когда одна частица наблюдается в состоянии со спином, направленным вверх, то спин другой оказывается направленным вниз, и наоборот, и это несмотря на то, что согласно квантовой механике, предсказать, какие фактически каждый раз получатся направления, невозможно. Иными словами, создаётся впечатление, что измерения, проводимые над одной системой, оказывают мгновенное воздействие на запутанную с ней. Однако то, что понимается под информацией в классическом смысле, всё-таки не может быть передано через запутанность быстрее, чем со скоростью света.

Раньше исходный термин «entanglement» переводился противоположно по смыслу — как запу́танность, но смысл слова заключается в сохранении связи даже после сложной биографии квантовой частицы. Так что при наличии связи между двумя частицами в клубке физической системы, «подергав» одну частицу, можно было определить другую.

Квантовая запутанность является основой таких будущих технологий, как квантовый компьютер и квантовая криптография, а также она была использована в опытах по квантовой телепортации. В теоретическом и философском плане данное явление представляет собой одно из наиболее революционных свойств квантовой теории, так как можно видеть, что корреляции, предсказываемые квантовой механикой, совершенно несовместимы с представлениями о, казалось бы, очевидной локальности реального мира, при которой информация о состоянии системы может передаваться только посредством её ближайшего окружения. Различные взгляды на то, что в действительности происходит во время процесса квантовомеханического запутывания, ведут к различным интерпретациям квантовой механики.