Авторитетно о квантовой телепортации

Квантовая телепортация позволяет решить проблему безопасной передачи информации, и у российских ученых есть вполне конкурентоспособные разработки в этой области

За последние дни слово «телепортация» в СМИ звучало чаще, чем в предыдущие десять лет: сообщение о том, что Агентство стратегических инициатив планирует к 2035 году реализовать некие устройства с использованием телепортации, заставило одних сомневаться в психическом здоровье чиновников, а других — в компетентности журналистов. Мало кто успел разобраться, что речь идет не о магической телепортации из фантастических фильмов, а всего лишь о квантовой телепортации — хорошо изученном физическом явлении. Как ни странно, в исследовании и использовании этого явления Россия почти не отстает от Запада.

Красота метода

Термин «квантовая телепортация» был придуман еще в начале 1990-х годов американскими учеными. Назвать эффект, описываемый в работе, их, возможно, действительно вдохновили фантастические книги и фильмы, однако суть его совсем иная. Явление телепортации в данном случае не означает возможности перемещения чего-либо материального: речь идет о мгновенном переносе квантовых состояний.

Квантовая физика оперирует так называемыми квантовыми объектами, то есть объектами очень малыми — атомами, элементарными частицами, ионами. Используя законы квантового мира, вы можете «скопировать» параметры одного такого квантового объекта (например, элементарной частицы) на другой такой же объект (вторую частицу), находящийся в другой точке пространства.

К примеру, вы решили использовать частицы света — фотоны. У каждого фотона есть так называемая поляризация — направление колебаний его электромагнитного поля. К примеру, она может быть вертикальной (единичка) или горизонтальной (ноль). Суть квантовой телепортации в том, что конкретное значение поляризации одного фотона — один или ноль — может на расстоянии быть «скопировано» на другую частицу. Причем сам процесс переноса состояния произойдет мгновенно, даже если между «приемником» и «передатчиком» лежит вся Вселенная. Поскольку перенос состояния не занимает времени и не зависит от того, насколько далеко друг от друга частицы и что находится между ними, процесс и назвали телепортацией.

Но квантовая телепортация — не просто любопытный физический фокус, она может быть весьма полезна для человечества, например, в системах квантовой криптографии — это наиболее безопасный на сегодняшний день способ передачи данных. Информация в этом случае кодируется в квантовых состояниях (например, в поляризации фотонов). Вся красота метода в том, что при попытке «подслушивания» эти состояния разрушаются, а получатель неминуемо узнает о том, что их «слушает» посторонний.

Мы привыкли, что в вопросах передовых технологий сильно отстаем от Запада. Удивительно, но в вопросе развития квантовых технологий это отставание минимально. Почти одновременно с США, Китаем и Францией мы создали собственные сверхпроводящие квантовые биты, сенсоры, оптические резонаторы. Параллельно с коллегами из других стран наши ученые работают над освоением квантовой криптографии, вычислений и памяти. Россия — действующий член мировой квантовой гонки, и эта гонка требует больших интеллектуальных ресурсов. Но если не вложить эти ресурсы сейчас, рано или поздно технологии придется импортировать, а потом с болью говорить о необходимости квантового импортозамещения.

Всем миром

Скажем, пионером в области исследования квантовой телепортации стала

швейцарская компания ID Quantique, первой представив в 2004 году пригодные для коммерческого применения устройства. Для связи в этом случае используются два канала: квантовый, по которому передается ключ шифрования, и классический, по которому идет уже зашифрованная информация. Однако дальность, на которую возможна передача информации по каналам квантовой связи, сильно ограниченна ввиду высокой уязвимости квантовых состояний, что приводит к их разрушению. Решить эту проблему должны квантовые повторители — устройства, способные восстанавливать квантовые состояния (в основе их работы — все та же квантовая телепортация). А вот один из возможных вариантов создания таких устройств был показан учеными из России и Словакии — это сделали Сергей Филиппов (МФТИ) и Марио Зиман (Slovak Academy of Sciences) в 2014 году.

Рекорд дальности передачи информации по квантовым оптоволоконным линиям составляет 102 км и принадлежит японским и американским ученым. Для достижения результата группе ученых пришлось охладить установку до температуры  минус 272 градуса по Цельсию, что всего на градус выше абсолютного нуля. Уже этим летом Китай планирует существенно улучшить рекорд, запустив для этих целей спутник, и передать данные, используя квантовую телепортацию, из Пекина в Вену.

К чему эти сложности?

Безопасность передачи данных является важнейшим фактором для военных и банковских структур, и использование квантовой коммуникации может эту безопасность обеспечить. В России крупнейшим разработчиком квантовых линий связи является РКЦ (Российский квантовый центр): в мае этого года они запустили первую в России линию, соединяющую два отделения Газпромбанка. Ее длина составила 30 км, а на исследования и разработку было выделено 450 млн руб.

Технологии, необходимые для создания квантовых сетей, существуют уже сейчас, однако большая часть оборудования представлена в виде громоздких установок в лабораториях. Превратить их в промышленные устройства и сделать эти технологии экономически эффективными еще предстоит. Во всем мире инженеры и ученые разрабатывают новые устройства и технологии, основанные на квантовых эффектах, и это как раз та область, где российская наука может конкурировать с западной. У нас есть реальный шанс войти в число лидеров квантовой революции, и важно его не упустить. Возможно, 10 млрд руб. за такое лидерство — не такая уж высокая цена.