Квантовая телепортация на многие километры. Почему это не фантастика и при чём тут интернет будущего?
Летом 2017 года группа под руководством Пань Цзяньвэя из Китайского университета науки и технологий объявила о результате, который до этого казался фантастикой: квантовое состояние фотона «перепрыгнуло» с обсерватории в Тибете на спутник, летевший на высоте от 500 до 1 400 километров. Речь не о самой частице, не об энергии или веществе. Передали именно информацию — квантовые свойства фотона. Причём по схеме, которая ещё за четверть века до этого была чисто умозрительной конструкцией. Статья вышла в Nature, и мир квантовой физики загудел.
Телепортация — это не то, что вы подумали
Сразу расставим точки. К «Звёздному пути» и фантастическим фильмам это не имеет никакого отношения. Здесь никто и ничто не исчезает в одной точке и не появляется в другой. Передаётся не сама частица, а её состояние — совокупность квантовых характеристик, которые нельзя просто взять и скопировать привычным способом. Квантовая физика жёстко ограничивает: произвольное неизвестное состояние невозможно продублировать. Этот принцип, который получил название «теорема о невозможности клонирования» и был математически обоснован в 1982 году.
При этом можно «уничтожить» состояние в одной точке и мгновенно воссоздать его в другой. Вот как это работает — очень упрощённо.
Берём два фотона и «запутываем» их. Запутанность — явление, которое Эйнштейн в 1935 году назвал «жутким дальнодействием»: если измерить свойство одной частицы, вторая мгновенно «откликается», какое бы расстояние их ни разделяло. Один фотон из запутанной пары оставляем у себя (назовём его Боб), второй отправляем адресату (это Ансила). Теперь у нас есть третий фотон — с тем самым состоянием, которое надо передать. Назовём его Алиса.
Мы проводим совместное измерение Алисы и Боба (так называемое «измерение Белла»). В этот момент происходят две вещи. Во-первых, состояние Алисы разрушается — теорема о запрете клонирования соблюдена. Во-вторых, Ансила на другом конце мгновенно меняет свои свойства. Но чтобы адресат мог «прочитать» полученное состояние, ему нужна подсказка — результат нашего измерения. А подсказку можно отправить только обычным каналом связи, со скоростью не выше скорости света.
Поэтому квантовая телепортация не нарушает теорию относительности. Передать сообщение быстрее света с её помощью нельзя. Но можно передать квантовую информацию наиболее точно, и никакой перехватчик не сможет это сделать незаметно.
Откуда взялась идея
В 1993 году Чарльз Беннетт, работавший в IBM, вместе с пятью соавторами напечатал в Physical Review Letters статью с необычным предложением. В ней рассказывалось: если две стороны заранее поделят между собой запутанную пару частиц, то неизвестное квантовое состояние можно «перекинуть» от одной стороны к другой. На тот момент — голая простая теория, не было ни одного опыта.
Спустя четыре года, в 1997-м, Антон Цайлингер со своей группой в Инсбрукском университете впервые проверил идею на практике. Поляризацию фотона удалось телепортировать прямо на лабораторном столе, в пределах одной комнаты. Схема сработала. Затем дистанции стали увеличиваться. В 2012 году та же группа Цайлингера перебросила состояние фотона между островами Ла-Пальма и Тенерифе на Канарских островах — 143 километра по воздуху. Этот мировой рекорд был вплоть до 2017 года.
Но 143 километра — это, по сути, предел для наземной оптики. Воздух как бы размывает и поглощает фотоны, стекловолокно съедает их ещё быстрее. Если попытаться протянуть квантовый сигнал по 1 200-километровому оптоволокну (потери — 0,2 децибела на каждый километр), то ожидание хотя бы одного дошедшего фотона затянется на срок, в 20 раз больший, чем возраст нашей Вселенной. Не преувеличение — эту оценку приводит сама команда Пань Цзяньвэя.
Выход — отправить фотоны через космос, где вакуум почти не поглощает свет.
Спутник «Мо-цзы»: $100 миллионов на один эксперимент
В середине августа 2016 года из пустыни Гоби стартовала ракета «Чанчжэн-2D». На борту находился аппарат «Мо-цзы», получивший имя в честь древнекитайского мыслителя, жившего в V веке до нашей эры. Этот спутник вышел на орбиту высотой 500 километров и стал первым в истории космическим аппаратом, построенным только для квантовых опытов. На всю программу QUESS (Quantum Experiments at Space Scale) Китай потратил порядка 100 миллионов долларов.
«Мо-цзы» содержит в себе источник запутанных фотонов и оптический детектор такой чувствительности, что способен обнаружить и зарегистрировать одну-единственную частицу света, прилетевшую снизу. Работу спутника поддерживает сеть из четырёх наземных станций — в Дэлинхе, Лицзяне (обе расположены в горных районах Тибетского нагорья), в Наньшане рядом с Урумчи и в Синлуне неподалёку от Пекина. Отдельно оборудована площадка для телепортации в посёлке Нгари в Тибете, на отметке выше 4 000 метров над уровнем моря. Такая высота выбрана не просто так: чем тоньше слой атмосферы между лазером и спутником, тем больше фотонов долетит до цели.
«Мо-цзы» работает только ночью: днём солнечный свет забивает слабый сигнал одиночных фотонов. Спутник пролетает над каждой станцией где-то в полночь, и окно для эксперимента составляет считаные минуты.
Как прошёл эксперимент
Для опыта по телепортации генератор запутанных пар разместили не на спутнике, а на Земле, в обсерватории Нгари. Установка выдавала свыше четырёх тысяч запутанных пар фотонов каждую секунду. Один фотон из пары оставался на Земле, второй лазерным лучом отправлялся вверх, к «Мо-цзы». Спутник и наземный телескоп должны были непрерывно «держать» друг друга в поле зрения — задача ювелирная, учитывая скорость орбитального аппарата.
Сперва команда подтвердила, что запутанность сохраняется на дистанции Земля–спутник. Затем провели собственно телепортацию: передали поляризационное состояние фотона с Земли на орбиту. За месяц экспериментов удалось успешно телепортировать 911 фотонов. Потери колоссальные: до адресата добирался в среднем один фотон из ста тысяч (41–52 децибела затухания). Но точность тех фотонов, что долетели, составила около 80 процентов — выше порога, который можно объяснить без квантовой механики.
В том же 2017 году команда Пань Цзяньвэя отчиталась ещё о двух рекордах. Первый: распределение запутанных фотонов между двумя наземными станциями (Дэлинха и Лицзян), разнесёнными на 1 200 километров. Второй: передача квантового ключа шифрования со спутника на Землю. А в сентябре 2017-го между Пекином и Веной впервые провели видеоконференцию, защищённую квантовым шифрованием — через «Мо-цзы» и наземные квантовые сети.
Томас Дженневайн, физик из Университета Ватерлоо (Канада), отозвался о результатах коротко: «Это колоссальное достижение. Они начали с дерзкой идеи — и довели её до конца».
Зачем всё это нужно
Квантовая телепортация — не трюк и не абстрактная наука. Это фундамент для технологии, которая способна перевернуть систему защиты информации.
Любая попытка подслушать квантовый канал моментально разрушает запутанность. Перехватчик не может снять копию — запрещено физикой. Не может подглядеть незаметно — само наблюдение меняет состояние частицы. Поэтому квантовая раздача ключей (QKD) на сегодня остаётся единственной схемой шифрования, надёжность которой опирается не на вычислительную сложность, а на фундаментальные физические законы.
В Китае уже действует наземная квантовая магистраль длиной свыше 2 000 километров, связывающая Пекин с Шанхаем. Правда, через каждые 100–200 километров на линии есть промежуточные узлы: они принимают ключ, расшифровывают его и генерируют заново для следующего участка. Любой такой узел — как потенциальная точка уязвимости. Космический канал решает эту проблему по-другому: фотоны проходят через пустоту, почти не теряясь, и две точки на планете можно соединить без посредников.
Пань Цзяньвэй уже продумал план для следующего этапа: вывести квантовый спутник на высоту 10 000 километров. Такой аппарат будет «видеть» станции круглые сутки и сможет преодолевать расстояния в десятки тысяч километров. По оценке самого Пань Цзяньвэя, старт реален в ближайшие годы. Если задумка сработает, мир получит первый рабочий элемент глобальной квантовой сети.
Почему споры не утихают
Может показаться, что раз статья опубликована в Nature, вопрос решён. Не совсем. Ряд специалистов обращает внимание на технические нюансы. Допустим, в эксперименте 2017 года все элементы телепортационной схемы, генератор запутанных пар, аппаратура для измерения Белла, находились на Земле. Спутник играл роль приёмника. Полноценная телепортация между подвижными платформами (скажем, двумя спутниками) пока не продемонстрирована.
Также, 911 успешных попыток из миллионов — это статистически убедительно, но далеко от практики по каналу связи. Для настоящей работы нужны квантовые повторители, которые пока могут быть только где-то в лабораториях.
И всё же сам факт остаётся: квантовое состояние фотона передано с Земли на орбиту на расстояние 1 400 километров. Десятью годами ранее предел составлял 143 километра. Прогресс налицо — почти в 10 раз за пять лет.
Как считаете — квантовый интернет станет реальностью при нашей жизни, или это технология следующего поколения?