Российские физики нашли способ сделать квантовую телепортацию двусторонней

Алексей Фёдоров из Российского квантового центра совместно с коллегами впервые в мире предложил осуществлять квантовую телепортацию сразу в две стороны, причём эта "двусторонность" не потребует никаких дополнительных ресурсов. Соответствующая статья  опубликована в журнале Physical Review A.

В квантовой механике телепортацией называют не перемещение физических объектов, а перенос квантовых состояний одной частицы на другую. Такое название этот процесс получил потому, что различить две частицы в одном и том же квантовом состоянии практически невозможно: они "выглядят" как идеальные клоны, все параметры которых одинаковы. Обычно в стандартной процедуре квантовой телепортации используется пара предварительно запутанных (условно, "сцепленных") частиц, квантовое состояние одной из которых жёстко связано с состоянием другой. Они взаимозависимы друг от друга, хотя и разнесены на такое расстояние, где не могут действовать любые известные фундаментальные взаимодействия (например, электромагнитное).

При описании процесса телепортации принято называть отправителя "сообщения" Алисой, а получателя — Бобом. У отправителя — Алисы — есть некая частица (А) в определённом квантовом состоянии. Она хочет передать его Бобу, чтобы у него была другая частица с точно таким же состоянием (В). Для этого используется пара запутанных частиц (С и В). Частица В находится уже у Боба, и именно на неё будет передано состояние частицы А. 

Чтобы сделать это, Алиса проводит измерение квантового состояния системы частиц А и С. Благодаря ему она точно знает их значения, но при этом изменяет состояние у всех трёх частиц разом: А, В и С. Одновременно разрушается и первоначальное состояние запутанности пары частиц С и В. Боб знает, что состояние его частицы изменилось и это связано с изменением частицы у Алисы, но не знает как.

Для завершения телепортации Алиса передаёт результат своего измерения по обычному каналу связи. Тогда Боб, используя результаты измерения, полученные от Алисы, и текущее квантовое состояние частицы В, может восстановить исходное состояние частицы А. Иными словами, состояние частицы А не копируется, а разрушается и затем воссоздаётся на частице В. Собственно поэтому процесс и получил название телепортации.

В варианте российских учёных Алиса и Боб выполняют лишь "мягкие", не разрушающие параметров своих частиц измерения. При этом точность замеров параметров искусственно ограничивается, то есть полученная информация о состоянии частиц "приблизительна". Этот минус компенсируется плюсом — при неточном измерении принцип неопределённости Гейзенберга не ведёт к разрушению измеряемого состояния, как в случае точного измерения при классическом варианте телепортации.

Пользуясь тем, что квантовое состояние частицы, оставшейся у Алисы, не разрушено, Боб, одновременно проводя те же действия, что и она, отсылает ей свои данные "мягких" измерений параметров его частицы. При этом передача квантовых состояний становится неидеальной и на выходе могут быть получены только "зашумлённые" версии состояний.

Таким образом, двусторонняя квантовая телепортация оказывается неидеальным, но вполне реальным видом связи. Из-за "зашумлённости" передаваемых данных, чтобы сообщить одинаковый объём информации, сторонам потребуется больше усилий (как радистам начала прошлого века, по два раза повторявшим передачу), однако за счёт двусторонности связи они должны вполне окупиться.

Новый подход способен серьёзно продвинуть область квантовой связи. В её рамках можно добиться идеального шифрования сообщений таким образом, чтобы его вовсе нельзя было перехватить незаметно для отправителя и получателя, что имеет большое практическое значение в целом ряде приложений.