Теория запрещает точное клонирование квантовых состояний, однако житейская мудрость гласит "если нельзя, но очень хочется, то можно". Ученые из Женевского университета экспериментально продемонстировали клонирование квантовых состояний (фотонов с определенной поляризацией), точнее говоря, "насколько это возможно клонирование".

В рамках классического подхода в принципе ничто не запрещает нам, получив сколь угодно полную информацию об объекте, создать другой объект, являющийся точной копией первого. Квантовая же механика запрещает подобное клонирование состояний: невозможно, получив полную информацию о квантовом состоянии, создать второе, точно такое же, состояние, не разрушив при этом первое (вот если мы разрушим квантовое состояние в одной точке пространства, тогда можно создать точно такое же в другой точке - эта процедура называется квантовой телепортацией ). Невозможность клонирования состояний носит принципиальный характер, однако, не имея возможность создать точную копию состояния, можно задаться целью создать копию сколь возможно точную, именно этой задаче посвящена работа швейцарских ученых [1].

Рис.1. Схема эксперимента по клонированию фотонов: поступающие от источника фотоны с одинаковой поляризацией вызывают рождение дополнительных фотонов в усилителе за счет процессов вынужденного излучения, 5 из 6 фотонов на выходе усилителя имеют ту же поляризацию, что и входящие фотоны (PBS - поляризационный светоделитель).

Исследователи из Женевского университета занимались "размножением" фотонов с определенной поляризацией. Принцип клонирования фотонов, по сути прост и очевиден: можно рождать фотоны с той же энергией и поляризацией в процессах вынужденного излучения, для этого необходимо создать ансамбль излучателей в инвертированном состоянии (например, перевести систему атомов в возбужденное состоянии), и фотоны соответствующей энергии, попадающие в активную среду, будут вызывать рождение точно таких же фотонов. Также легко понять, что подобное "копировальное устройство" для фотонов будет работать неидеально: невозможно в каждый момент контролировать состояние каждого атома и, соответственно, неизбежны процессы спонтанного излучения, в результате которых будут появляться фотоны с "неправильной" поляризацией. Теоретически было показано, что максимально достижимая точность воспроизведения (отношение количества фотонов на выходе "клонирующей машины", имеющих ту же поляризацию, что и фотоны на входе, к общему количеству фотонов на выходе клонирующей машины) равняется для такой клонирующей машины 5/6 (рис.1).

Швейцарские ученые проводили эксперименты, используя в качестве "машины для клонирования" оптоволокно, легированное эрбием (блок-схема эксперимента показана на рис.1). Атомы эрбия переводились в возбужденное состояние с помощью лазера, в то же время на вход оптоволокна поступали фотоны с одинаковой поляризацией от источника. В отличие от ситуации, изображенной на рисунке, в описываемых экспериментах не приготавливались состояния поля с определенным числом фотонов (приготовление таких состояний - отдельная задача, см. об этом в нашей новости ), исследователи оперировали со средним числом фотонов - непосредственно измерялась интенсивность света с данной поляризацией на выходе усилителя (оптоволокна, легированного эрбием). Проведенные измерения показали, что точность клонирования фотонов достигает 0.82, что очень близко к теоретически возможной.

Зачем может быть нужна такая "квантовая копировальная машина" из оптоволокна на практике? Невозможность клонирования состояний лежит в основе квантовой криптографии, соответственно, по использование по возможности близкого к идеальному клонирования состояний является оптимальным для подслушивания.

1. Sylvan Fasel, Nicolas Gisin, Gregoire Ribordy et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 107901 (2002).

Е.Онищенко.