Телепортация фотонов и детектор-не детектор
В прошлый раз я начал свой рассказ о квантовой телепортации и постарался изложить саму идею и смысл, который современная наука вкладывает в это понятие.
Теперь расскажу, как, в принципе, это работает. Я уже говорил, что для осуществления задуманного нам понадобится три фотона, каждый из которых неопределённым образом поляризован, т.е. находится состоянии «квантовой суммы (суперпозиции)» двух поляризаций: горизонтальной и вертикальной. Условимся, что первый из фотонов - именно тот, чьё состояние мы телепортировать и хотим.
Итак, для начала мы берём первый (1) и второй (2) фотоны и отправляем их на устройство, называемое детектором Белла. Что он из себя представляет? В простейшем виде - это полупрозрачное зеркало или, по-научному выражаясь, светоделитель. Как он работает? Представьте себе зеркало, на которое вы светите лазерным лучом. Что происходит со светом лазера, когда он попадает на зеркальную поверхность - он отражается (под углом, равным углу падения, ибо, как все мы помним ещё со школы, углы эти равны). Если же зеркало полупрозрачное, то не весь свет отразится от него: часть (допустим, половина) его пройдёт светоделитель насквозь. Таким образом, направив луч света на такое зеркало, на выходе получим два одинаковых, луча, выходящих по обе стороны от него.
Заметим также, что, раз зеркало полупрозрачное, то нам без разницы, с какой стороны от него находясь, направлять на него лазер. Точно также это можно делать «из зазеркалья» - с противоположной стороны. В таком случае, прошедший луч будет совпадать с отражённым из первого примера и, наоборот, отражённый луч пойдёт точно также, как пошёл бы прошедший насквозь пучок света с наружной стороны. Поэтому представим себе, что наш фотон (1) падает на зеркало с первой стороны, а (2) - с обратной. Что же мы получим в результате?
Раз лазерный луч наше зеркало делит в точности пополам, то логично ожидать, что одиночный квант света тоже как будто бы «поделится надвое» в том смысле, что его волновая функция, как и в случае эксперимента с двумя щелями, окажется состоящей из двух слагаемых, одно из которых будет соответствовать отражённому фотону, а другое - прошедшему светоделитель насквозь. Таким образом, поставив по обе стороны от него по детектору, умеющему регистрировать попадание на него отдельных квантов, с вероятностью 50% мы будем наблюдать отражённый фотон по одну сторону зеркала, и с такой же вероятностью - прошедший квант - по другую строну от него, притом, независимо от того, как именно квант поляризован.
Однако же, если на полупрозрачном зеркале одновременно встречаются два с разных сторон пришедшие кванта, ситуация становится несколько сложнее. Своё веское слово в данном случае скажет интерференция, проявляющаяся в виде эффекта так называемой группировки Аль-Каида Манделя. Суть её в том, что одинаково поляризованные фотоны группируются друг с другом. Т.е. если, например, оба кванта поляризованы вертикально (или горизонтально) то, обязательно, один из них отразится от зеркала, а другой пройдёт светоделитель насквозь, так что, в итоге, они вместе объединятся в одном луче. Таким образом в показаниях детекторов из предыдущего абзаца мы увидим следующую картину: один из них обязательно зафиксирует одновременное появление двух квантов, другой же - будет молчать.
В противоположном случае - когда на зеркало падают два фотона в разных поляризациях - эффект группировки себя не проявляет, и прохождение их через светоделитель произойдёт абсолютно случайным образом. Т.е. в этом случае показания детекторов могут быть различными: можем, как и в первой ситуации, увидеть два фотона в одном луче. Можем же увидеть отклик на приход одиночных квантов на обоих из детекторов.
Этот последний вариант появления «разовых кликов» на каждом из детекторов для нас и ценен, так как он однозначно говорит нам о том, что исходные кванты имели разные поляризации. Особо отмечу, что никакой информации о том, какую именно поляризацию имел каждый из фотонов мы не получаем, и в этом смысле детектор Белла в прямом смысле детектором и не является.
Теперь вспомним о третьем фотоне - болванке, - который мы отправляем в точку желаемой телепортации, тогда как перепутанный с ним фотон (2) летит на Белловский детектор. Квантовое перепутывание фотонов (2) и (3) для нас играет здесь ключевую роль, т.к. оно обеспечивает нам, опять же, противоположные поляризации этих двух квантов.
Итак, что имеем в итоге? Во-первых, успешный исход Белловского детектирования (разовые клики обоих детекторов) говорит нам о том, что поляризации 1-го и 2-го фотонов, исчезнувших для нас при этом измерении, были противоположны. Во-вторых, за счёт перепутывания, противоположными являются поляризации 2-го и 3-го фотонов. Тогда, следуя простейшей логике, поляризация фотона (3) такая же, что и у нашего исходного фотона (1). С учётом же того, что никакой информации о конкретном поляризационном состоянии частицы мы не извлекали, её квантовое состояние сохранится. Поэтому конечное состояние фотона (3) целиком дублирует квантовое состояние фотона (1). Телепортация осуществлена.
Теперь расскажу, как, в принципе, это работает. Я уже говорил, что для осуществления задуманного нам понадобится три фотона, каждый из которых неопределённым образом поляризован, т.е. находится состоянии «квантовой суммы (суперпозиции)» двух поляризаций: горизонтальной и вертикальной. Условимся, что первый из фотонов - именно тот, чьё состояние мы телепортировать и хотим.
Итак, для начала мы берём первый (1) и второй (2) фотоны и отправляем их на устройство, называемое детектором Белла. Что он из себя представляет? В простейшем виде - это полупрозрачное зеркало или, по-научному выражаясь, светоделитель. Как он работает? Представьте себе зеркало, на которое вы светите лазерным лучом. Что происходит со светом лазера, когда он попадает на зеркальную поверхность - он отражается (под углом, равным углу падения, ибо, как все мы помним ещё со школы, углы эти равны). Если же зеркало полупрозрачное, то не весь свет отразится от него: часть (допустим, половина) его пройдёт светоделитель насквозь. Таким образом, направив луч света на такое зеркало, на выходе получим два одинаковых, луча, выходящих по обе стороны от него.
Заметим также, что, раз зеркало полупрозрачное, то нам без разницы, с какой стороны от него находясь, направлять на него лазер. Точно также это можно делать «из зазеркалья» - с противоположной стороны. В таком случае, прошедший луч будет совпадать с отражённым из первого примера и, наоборот, отражённый луч пойдёт точно также, как пошёл бы прошедший насквозь пучок света с наружной стороны. Поэтому представим себе, что наш фотон (1) падает на зеркало с первой стороны, а (2) - с обратной. Что же мы получим в результате?
Раз лазерный луч наше зеркало делит в точности пополам, то логично ожидать, что одиночный квант света тоже как будто бы «поделится надвое» в том смысле, что его волновая функция, как и в случае эксперимента с двумя щелями, окажется состоящей из двух слагаемых, одно из которых будет соответствовать отражённому фотону, а другое - прошедшему светоделитель насквозь. Таким образом, поставив по обе стороны от него по детектору, умеющему регистрировать попадание на него отдельных квантов, с вероятностью 50% мы будем наблюдать отражённый фотон по одну сторону зеркала, и с такой же вероятностью - прошедший квант - по другую строну от него, притом, независимо от того, как именно квант поляризован.
Однако же, если на полупрозрачном зеркале одновременно встречаются два с разных сторон пришедшие кванта, ситуация становится несколько сложнее. Своё веское слово в данном случае скажет интерференция, проявляющаяся в виде эффекта так называемой группировки Аль-Каида Манделя. Суть её в том, что одинаково поляризованные фотоны группируются друг с другом. Т.е. если, например, оба кванта поляризованы вертикально (или горизонтально) то, обязательно, один из них отразится от зеркала, а другой пройдёт светоделитель насквозь, так что, в итоге, они вместе объединятся в одном луче. Таким образом в показаниях детекторов из предыдущего абзаца мы увидим следующую картину: один из них обязательно зафиксирует одновременное появление двух квантов, другой же - будет молчать.
В противоположном случае - когда на зеркало падают два фотона в разных поляризациях - эффект группировки себя не проявляет, и прохождение их через светоделитель произойдёт абсолютно случайным образом. Т.е. в этом случае показания детекторов могут быть различными: можем, как и в первой ситуации, увидеть два фотона в одном луче. Можем же увидеть отклик на приход одиночных квантов на обоих из детекторов.
Этот последний вариант появления «разовых кликов» на каждом из детекторов для нас и ценен, так как он однозначно говорит нам о том, что исходные кванты имели разные поляризации. Особо отмечу, что никакой информации о том, какую именно поляризацию имел каждый из фотонов мы не получаем, и в этом смысле детектор Белла в прямом смысле детектором и не является.
Теперь вспомним о третьем фотоне - болванке, - который мы отправляем в точку желаемой телепортации, тогда как перепутанный с ним фотон (2) летит на Белловский детектор. Квантовое перепутывание фотонов (2) и (3) для нас играет здесь ключевую роль, т.к. оно обеспечивает нам, опять же, противоположные поляризации этих двух квантов.
Итак, что имеем в итоге? Во-первых, успешный исход Белловского детектирования (разовые клики обоих детекторов) говорит нам о том, что поляризации 1-го и 2-го фотонов, исчезнувших для нас при этом измерении, были противоположны. Во-вторых, за счёт перепутывания, противоположными являются поляризации 2-го и 3-го фотонов. Тогда, следуя простейшей логике, поляризация фотона (3) такая же, что и у нашего исходного фотона (1). С учётом же того, что никакой информации о конкретном поляризационном состоянии частицы мы не извлекали, её квантовое состояние сохранится. Поэтому конечное состояние фотона (3) целиком дублирует квантовое состояние фотона (1). Телепортация осуществлена.