Телепортация информации

Возможна ли безэнергетическая передача информации?

Год назад мы задали трем ученым один и тот же вопрос: можно ли считать информацию формой энергии. Позже в одной из дискуссий на эту тему прозвучало: нет, нельзя, потому что можно передавать информацию без передачи энергии — в запутанных квантовых системах. Мы еще раз обратились к квантовым физикам, чтобы узнать, что они думают о такой безэнергетической передаче информации.

Станислав Страупе

Доцент кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ:

— Если говорить о передаче информации с помощью запутанных кубитов, то обойтись совсем без передачи энергии нельзя. Допустим, у нас есть запутанная пара, и сделав измерение здесь, мы хотим передать информацию на другую сторону. Для этого нам нужно итог измерений сообщить. Запутанность — это только корреляция. Исключительно с ее помощью вы не можете передавать осмысленную информацию, надо выполнить дополнительные трюки. Да, изменение состояния при измерении мгновенное, и в каком-то смысле передача квантового состояния при телепортации мгновенна. Но мы не можем передавать информацию быстрее скорости света. Если я что-то сделал здесь, то на Луне мгновенно ничего не узнают. Должно пройти время, как минимум достаточное для того, чтобы свет долетел отсюда до Луны. Это фундаментальный принцип отсутствия дальнодействия в физике, который никто не отменял.

Как это соотносится друг с другом: при той же телепортации обязательно надо передать исход измерений на ту сторону, чтобы произошла телепортация. Это можно назвать передачей информации: мы передаем два классических бита информации и при этом передаем целый кубит квантовой информации, который на самом деле представляет собой два комплексных числа. Тут важно то, что, с одной стороны, мы не перемещаем кубит физически, но, с другой стороны, необходимые два бита информации мы передаем на каком-то носителе. Это может быть фотон или что-то иное, что перелетит из точки А в точку Б. Так обеспечивается соблюдение принципа причинности и принципа дальнодействия даже в системах, где есть квантовая запутанность.

Без энергии передавать информацию нельзя, но экономить энергию можно. Когда вы передаете не кубит, а два обычных бита — это экономия ресурса. Есть протокол сверхплотного кодирования, когда можно физически передать один кубит, а информации при этом передать два бита.

Алексей Семихатов

Доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией теории фундаментальных взаимодействий, ФИАН им. П. Н. Лебедева:

— Квантовая запутанность работает как корреляция. После измерения на одном кванте мы не видим потока энергии и вообще чего бы то ни было на втором. А раз нет потока энергии, нет и передачи информации, потому что любая информация, с моей точки зрения, имеет носитель. И если вы хотите ее передать, то надо сделать так, чтобы получающая система могла на нее отреагировать. А это значит, что должно быть какое-то воздействие. И оно должно быть физическое. Пока мы говорим, сколько байт в чем-то, информация носит абстрактный характер. Но как только мы опускаемся до молекулярного, атомного, то есть квантового, уровня, то каждая информационная единица имеет вполне конкретный физический носитель. А раз так, то никакого обмена, ни информационного, ни энергетического, между запутанными квантами-партнерами не происходит. Запутанность — свойство корреляции.

Пусть два электрона запутаны по спинам. Это значит, что они находятся в состоянии, где никакого значения спина ни у одного из них нет. Очень важно, что это не мы не знаем, какой у них спин, а его вообще нет. За различие между двумя случаями отвечают неравенства Белла — точнее, их нарушение, подтвержденное экспериментально. Когда вы проводите измерение одного электрона, происходит редукция волновой функции, и она отражается на состоянии второго электрона. Два ученых измеряют спины этих запутанных электронов много раз каждый у себя и устанавливают корреляцию, невозможную при любой «тайной раздаче» значений спинов в момент создания запутанной пары. Корреляция есть, но энергия не передается. И такая корреляция — не способ устроить сверхсветовую сигнализацию (в полном соответствии с теоремой запрета — No-signaling theorem). Квантовая реальность тут ловко прячется за индетерминизмом в измерениях: когда я измеряю спин, я не знаю, выпадет у меня спин вверх или спин вниз, и у меня нет никакой власти на это повлиять. Да, спин второго из запутанных квантов коррелирован с тем результатом, который выпал при измерении на первом. Но никакого информационного содержания хозяину второго кванта мгновенно передать я не в состоянии. Пожалуй, можно сказать, что кванты сами в своей реальности разговаривают друг с другом быстрее скорости света, но нам они этого не позволяют. Впрочем, все это лишь словесная интерпретация. Я просто могу предсказать результат, который вы получите у себя. Но чтобы сравнить предсказания, то есть обменяться информацией, нам надо встретиться, то есть потратить энергию (да и время). При всем том, если бы мы захотели эмулировать квантовую запутанность классическими средствами, бесквантово, нам пришлось бы передавать сигнал быстрее света.

Если же рассуждать о том, что квантовые процессоры могли бы быть энергоэффективнее обычных, то я бы предположил, что это могло бы произойти за счет того, что в квантовых системах мы управляем отдельными квантами и у нас в идеале (сейчас это не так) не должна рассеиваться энергия на что-то постороннее.