Одна из ведущих компаний по производству квантово-криптографических систем «id Quantique»[9] в апреле 2005 года выпустила на рынок уже второе поколение таких устройств, которые помогают корпорациям и правительственным агентствам защищать их сети передачи данных, используя фундаментальные законы квантовой физики. Компания «id Quantique» – лидер в области детектирования единичных фотонов и связанных лазерных источников.
Кратко перечислим основные достижения последних лет в области коммерческого производства и практического применения квантово-криптографических систем[10].
● id Quantique (Женева) – система посылает квантовые шифровальные ключи (запутанные фотоны) на десятки километров по оптоволокну.
● MagiQ Technologies(Нью-Йорк) – система с оптоволокном посылает квантовые шифровальные ключи на расстояние до 100 км. Предлагаются также аппаратные средства и программное обеспечение для интеграции в существующие сети.
● NEC (Токио) – в 2004 году удалось передать ключи на рекордные 150 км. Намечено выпустить систему с оптоволокном в начале 2006 года.
● QinetiQ (Фарнборо, Англия) – предлагает системы на контрактной основе, которые передают ключи через атмосферу на расстояния до 10 км. Поставила систему фирме BBN Technologiesв Кеймбридже, штат Массачусетс.
В квантово-криптографических системах основным рабочим ресурсом являются запутанные состояния фотонов, и их мгновенная нелокальная связь (квантовые корреляции) позволяет обеспечить абсолютную защиту информации от постороннего доступа. Связь между запутанными фотонами не просто «сверхсветовая», а именно бесконечная, мгновенная, но в данном случае она используется не для передачи информации, а для контроля безопасности канала связи – при доступе к передаваемой информации «со стороны» когерентность фотонов (квантовая запутанность) тут же нарушается.
В разрабатываемых квантовых компьютерах запутанность также является основным рабочим ресурсом. В отличие от обычного компьютера, ячейки памяти которого могут принимать лишь два возможных значения (например, нуль и единица) и содержат классический бит информации, квантовый компьютер использует квантовые биты – кубиты (quantumbits, qubits). За счет суперпозиции состояний кубитов, наличия комплексных амплитуд и фазовых множителей возможности квантовых компьютеров существенно (экспоненциально) превышают возможности обычных. Запутанность между кубитами – это необходимое условие для работы квантового компьютера, это ключевой фактор, отвечающий за квантовый параллелизм и определяющий преимущество квантового компьютера над обычным.
Еще раз подчеркну, что квантовая запутанность – это не теоретическая абстракция, которую ввели физики-теоретики, а объективный факт окружающей реальности. Это то, что существует в природе независимо от наших представлений, собственно, поэтому она и может быть использована на практике.
В чем же заключаются удивительные особенности запутанных состояний? Почему они привлекают такое пристальное внимание исследователей? Суть в том, что они в прямом смысле являются запредельными, потусторонними, трансцендентными, как сказали бы философы, по отношению к материальному миру. Их свойства и возможности просто фантастические с точки зрения классической физики и наших привычных представлений о реальности. Поговорим об этом более подробно.
Квантовая запутанность возникает в системе, состоящей из двух и более взаимодействующих подсистем (или взаимодействовавших ранее, а затем разделенных), и представляет собой суперпозицию макроскопически различимых состояний. В таких системах флуктуации отдельных частей взаимосвязаны, но не посредством обычных классических взаимодействий, ограниченных, например, скоростью света, а посредством нелокальных квантовых корреляций. В этом случае изменение одной части системы в тот же момент времени сказывается на остальных ее частях (даже если они разделены в пространстве, вплоть до бесконечно больших расстояний). И это не просто теория. Как уже говорилось, «магические» свойства запутанных состояний подтверждены многочисленными физическими экспериментами, и именно эти «сверхъестественные» возможности лежат в основе работы квантового компьютера, когда все кубиты благодаря квантовой запутанности могут согласованно и мгновенно изменять свое состояние, даже если мы изменим состояние одного кубита.
Таким образом, запутанность – это особый тип взаимосвязи между составными частями системы, у которой нет аналога в классической физике. Эта связь противоестественна, немыслима с точки зрения классических представлений о реальности и выглядит магической в прямом смысле этого слова.
Квантовая запутанность – состояние неразрывной целостности, единства. Обычно дают такое определение: запутанное состояние – это состояние составной системы, которую нельзя разделить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части. Оно является несепарабельным (неразделимым). Запутанность и несепарабельность – тождественные понятия.
Когда квантовая теория обогатилась пониманием того, что квантовая запутанность – это обычная физическая величина, и с ней можно работать, как с другими физическими величинами, такими как энергия, масса и т. д., то возникла необходимость в ее количественном описании. Запутанные состояния нужно было охарактеризовать по величине (степени) запутанности. Одним из первых такую количественную характеристику, то есть меру запутанности, ввел в 1996 году Чарльз Беннетт (с соавторами)[11].
В зависимости от величины квантовой запутанности (она изменяется от нуля до единицы) система может состоять из отделимых локальных частей, которые слабо связаны друг с другом. В этом случае мера запутанности близка к нулю. Если же система составляет единое неразделимое целое, то мера запутанности равна единице. Это нелокальное состояние, и тогда в системе нет никаких классических, «видимых» объектов (даже на тонких уровнях реальности).
Разделить на строго независимые части можно систему, части которой находятся в сепарабельном (незапутанном) состоянии (мера запутанности равна нулю). Такое разделение возможно только в том случае, если части системы никогда не взаимодействовали друг с другом.
Любой объект, который взаимодействует со своим окружением, находится с ним в запутанном состоянии. Особо подчеркну: речь идет о любых объектах, в том числе макроскопических. Например, взаимодействуя с окружением, мы связаны с ним нелокальными квантовыми корреляциями. Может возникнуть вопрос: почему же тогда мы не чувствуем эти корреляции, почему не ощущаем нашу квантовую запутанность? Но дело в том, что мы прекрасно ее ощущаем, только не выделяем своим вниманием. Более того, у нас есть возможность сознательно и целенаправленно изменять меру запутанности. А это уже настоящая магия, и в дальнейшем нам предстоит поговорить об этом подробнее. Пока лишь отмечу, что существует большое количество самых различных типов взаимодействий макросистем с окружением, много каналов квантовой запутанности с различной мерой несепарабельности. По одним степеням свободы мы, например, локальны (наши тела разделены в пространстве), а по другим (в частности, можно говорить о наших чувствах или мыслях) – нелокальны, несепарабельны.
Величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия. Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается, и они «проявляются» в виде локальных объектов. В качестве примера можно привести такую аналогию. Пусть у нас есть лист фотобумаги с непроявленным изображением – это своеобразное нелокальное состояние. Видимые формы объектов могут появиться только в том случае, если мы опустим фотобумагу в проявитель (взаимодействие с окружением). Ситуация с запутанностью лишь немного сложнее – там нет заранее отображенной «картинки» с негатива. Потенциальное изображение (и оно не одно!) как бы равномерно «размазано» по фотобумаге и поэтому невидимо. Все возможные элементы находятся в суперпозиционном состоянии, у них нет локальных форм. При наличии взаимодействия с окружением суперпозиция разрушается, и проявляется то или иное классическое состояние в зависимости от типа взаимодействий. Этот физический процесс называется декогеренцией. Другой стороной этого процесса является возрастание меры запутанности системы с окружением. Оно будто «растаскивает» в разные стороны части того, что раньше было единым целым, придает им определенную форму, и они становятся видимыми, различимыми с нашей привычной, классической точки зрения.