Квантовая телепортация: что это такое и как работает

В 2017 году исследователи из Китая телепортировали объект в открытый космос. Это был не человек, не собака и даже не молекула. Это был фотон. А точнее — информация, описывающая конкретный фотон. Но почему это называют телепортацией?

Суть в том, что квантовая телепортация мало связана с телепортацией как таковой. Это скорее вопрос создания интернета, который нельзя взломать. Но прежде чем мы перейдем непосредственно к этому вопросу, поговорим об одном парадоксе.

Гениальный физик и автор Специальной и Общей теорий относительности Альберт Эйнштейн считал квантовую механику ошибочной теорией. В 1935 году он вместе с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью, в которой определил парадокс, ставящий под сомнение практически все, что связано с квантовой механикой, — ЭПР-парадокс.

Квантовая механика — наука о самых малых аспектах Вселенной: атомах, электронах, кварках, фотонах и так далее. Она раскрывает парадоксальные, а порой и противоречивые аспекты физической реальности. Одним из таких аспектов можно назвать тот факт, что, проводя измерение частицы, вы ее «изменяете». Это явление в итоге назвали эффектом наблюдателя: акт измерения феномена непоправимо влияет на него.

Схематическое описание экспериментальной установки для телепортации фотона в открытый космос / © China Academy of Sciences

Схематическое описание экспериментальной установки для телепортации фотона в открытый космос / © China Academy of Sciences

Зачастую, чтобы наблюдать атом, мы на него светим. Фотоны этого света взаимодействуют с частицей, тем самым влияя на ее позицию, момент импульса, спин или другие характеристики. В квантовом мире применение фотонов для наблюдения атома сродни использованию шаров для боулинга, чтобы пересчитать кегли в конце кегельбана. В итоге точно узнать все свойства частицы невозможно, так как в процессе ее исследования наблюдатель влияет на результат.

Эффект наблюдателя часто путают с идеей о том, что сознание каким-то образом может повлиять на действительность или даже создать ее. На самом деле, в этом эффекте нет ничего сверхъестественного, так как для него вовсе не требуется сознание.

Фотоны, сталкивающиеся с атомом, производят тот же самый эффект наблюдателя вне зависимости от того, движутся они к нему по причине действий со стороны человеческого сознания или нет. В этом случае «наблюдать» — значит попросту взаимодействовать.

Мы не можем быть сторонними наблюдателями. В квантовых системах человек всегда принимает активное участие, смазывая результаты.

Именно это не нравилось Альберту Эйнштейну. Для него эта присущая неопределенность указывала на неполноту квантовой механики, которую надо было устранить. Ученый считал, что реальность не может быть настолько ненадежной. Именно к этому относится его знаменитая фраза: «Бог не играет в кости со Вселенной».

И ничто так сильно не подчеркивало слабость квантовой механики, как парадокс квантовой запутанности.

Иногда на квантовых масштабах частицы могут стать взаимосвязанными между собой таким образом, что измерение свойств одной частицы моментально влияет на другую, вне зависимости от того, насколько они удалены друг от друга. Это и есть квантовая запутанность.

Согласно теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее света. Однако квантовая запутанность, похоже, нарушала это правило. Если одна частица запутана с другой, а любое возможное изменение, происходящее с одной из них, влияет на вторую, значит, между ними должна происходить какая-то связь. Иначе как они могут влиять друг на друга? Но если это происходит моментально, несмотря на расстояния, эта связь должна происходить быстрее скорости света — отсюда тот самый ЭПР-парадокс.

При попытке измерить, через какую прорезь проходит электрон во время эксперимента с двумя прорезями, то интерференционная картина не получится. Вместо этого, электроны будут вести себя не как волны, а как «классические» частицы / © Wikimedia Commons

При попытке измерить, через какую прорезь проходит электрон во время эксперимента с двумя прорезями, то интерференционная картина не получится. Вместо этого, электроны будут вести себя не как волны, а как «классические» частицы / © Wikimedia Commons

Эйнштейн назвал это явление «жутким действием на расстоянии». Вся область квантовой механики казалась ему такой же хлипкой, как предполагаемая квантовая запутанность. Физик до конца жизни безуспешно пытался «подлатать» теорию, но ничего не вышло. Просто исправлять было нечего.

Уже после смерти Эйнштейна неоднократно было доказано, что квантовая механика верна и работает, пусть и зачастую противоречит здравому смыслу. Ученые подтвердили, что парадокс квантовой запутанности — реальный феномен, и вообще это не парадокс. Несмотря на то что запутанность происходит моментально, никакая информация не может быть передана между частицами быстрее скорости света.

Как это все связано с квантовой телепортацией? Вернемся к нашей теме. Дело в том, что таким образом информация все-таки может быть передана. Именно это в 2017 году сделали исследователи из Китая. Хотя это и называют «телепортацией», по сути, ученые совершили передачу информации между двумя запутанными фотонами.

При направлении лазерного луча через специальный кристалл испущенные им фотоны запутываются. Так что, когда в запутанной паре измеряется один фотон, сразу становится известно состояние другого. Если использовать их квантовые состояния в качестве переносчика сигнала, то между двумя фотонами можно передавать информацию. Это проделывали и раньше в лабораториях по всему миру, но никогда прежде этот процесс не проходил на таком расстоянии.

Китайские исследователи отправили запутанный фотон на спутник, расположенный в 1400 километрах над Землей. Затем они запутали фотон, оставшийся на планете, с третьим фотоном, что позволило отправить его квантовое состояние фотону на спутнике, тем самым эффективно скопировав третий фотон на орбите. Однако третий фотон не был физически перемещен на спутник. Была передана и восстановлена только информация о его квантовом состоянии.

Так что это не была телепортация в духе «Звездного пути». Но самым большим прорывом в этом эксперименте стала не телепортация, а коммуникация.

Квантовый интернет на основе запутанных частиц было бы практически невозможно взломать. И все благодаря эффекту наблюдателя.

Если кто-то попытается перехватить одну из таких квантовых передач, по сути, это будет попытка наблюдать частицу, что — как мы уже знаем — изменит ее. Скомпрометированная передача стала бы сразу заметна, так как частицы перестали бы быть запутанными или передача была бы полностью уничтожена. 

Квантовый интернет был бы практически на 100% безопасной коммуникационной сетью. Не имея доступа к запутанным частицам, никто не смог бы его взломать. А если бы кто-то все-таки получил доступ к одной из запутанных частиц, это бы тут же заметили, так как пропала бы частица, а значит, интернет перестал бы работать. Именно таким образом это может быть полезно больше, чем устройство для телепортации фотонов.

Исследователям пришлось совершить свыше миллиона попыток для успешного запутывания чуть более 900 частиц. Так как фотоны должны проходить через нашу атмосферу, есть высокая вероятность, что они будут взаимодействовать с другими частицами, следовательно, будут «наблюдаться», уничтожая запутанность и завершая передачу.

При квантовой телепортации теряется вся информация об оригинальной частице, но на другом конце создается ее идентичная копия / © Jim Al-Khalili/

При квантовой телепортации теряется вся информация об оригинальной частице, но на другом конце создается ее идентичная копия / © Jim Al-Khalili/

Сможем ли мы однажды — когда-нибудь в далеком будущем — использовать эту же технику для телепортации крупных объектов или даже людей? Теоретически да. Для этого пришлось бы запутывать каждую частицу в теле с таким же количеством частиц в точке назначения. Каждое состояние и позиция всех ваших частиц будет необходимо просканировать и передать в другое место. Ожидающие частицы запутаются и примут переданную им информацию, моментально приняв состояние, идентичное оригинальным частицам. По сути, это то же самое, что произошло с фотонами в китайском эксперименте. Разница лишь в том, что здесь речь идет о каждой частице в вашем теле.

Тем не менее не стоит сильно радоваться. Телепортация также подвержена эффекту наблюдателя. Процесс сканирования, измеряющий все ваши частицы, моментально бы все их изменил. Вполне возможно, что изменения были для вас малоприятными, вы превратились бы в неузнаваемую квантовую слизь. Вы бы перестали существовать в изначальной точке и появились бы в другой — абсолютно таким же, но уже с новым набором частиц. Но остались бы вы собой или нет — совсем другой вопрос.

Источник

Интересное по теме