Учёные активно ведут эксперименты квантовой телепортации

Учёные активно ведут эксперименты квантовой телепортации


Для героев фантастических фильмов телепортация - дело обычное. Одно нажатие кнопки - и они растворяются в воздухе, чтобы через пару секунд очутиться за сотни и тысячи километров: в другой стране или даже на другой планете.


Возможно ли такое перемещение на самом деле, или телепортация навсегда останется мечтой писателей и сценаристов? Ведутся ли какие-то исследования в этой области - и приблизились ли мы хоть чуть-чуть к реализации технологии, столь привычной для героев фантастических боевиков?

Короткий ответ на этот вопрос - да, эксперименты ведутся, причем очень активно. Более того, ученые регулярно публикуют в научных журналах статьи об успешных опытах квантовой телепортации - на всё большие и большие расстояния.
И хотя многие известные физики сомневаются, что нам когда-либо удастся телепортировать людей, некоторые эксперты настроены куда более оптимистично и уверяют, что телепорты станут реальностью уже через несколько десятилетий.

Этот материал подготовлен в качестве ответа на один из вопросов о научных достижениях, присланных нашими читателями.

"Ложь, слухи и небылицы"


Для начала давайте уточним, о чем именно идет речь. Под телепортацией мы понимаем мгновенное перемещение объектов на любое расстояние, в идеале - быстрее скорости света.

Само слово придумал в 1931 году американский публицист Чарльз Форт, увлекавшийся исследованием паранормальных явлений. По аналогии с "телевидением", произошедшим от греческого τῆλε ("далеко") и латинского video ("видеть"), в своей книге "Вулканы небес" он изобрел термин для описания необъяснимых перемещений объектов в пространстве (латинское porto значит "переносить").

"В этой книге я преимущественно рассматриваю свидетельства того, что существует некая сила переноса, которую я называю телепортацией. Меня обвинят в том, что я собрал воедино откровенную ложь, слухи, небылицы, мистификации и суеверия. В некотором смысле я и сам так думаю. А в некотором смысле нет. Я лишь предоставляю данные", - пишет Форт.

О подобных перемещениях действительно существует множество мифов - например, расхожая легенда о Филадельфийском эксперименте 1943 года, в ходе которого якобы был телепортирован на 320 км американский эсминец "Элдридж".
Учёные активно ведут эксперименты квантовой телепортации


Тот самый эсминец, якобы переместившийся в пространстве

Однако на поверку все подобные истории оказываются не более чем домыслами конспирологов, по мнению которых власти скрывают от широкой общественности любые свидетельства о случаях телепортации как военную тайну.

На самом деле всё наоборот: любые достижения в этой области широко обсуждаются в научном сообществе. Например, буквально неделю назад американские ученые рассказали о новом успешном опыте квантовой телепортации.

Давайте же перейдем от городских легенд и фантастической литературы к строгой науке.

"Из пункта А в пункт В..."


История реальной, а не вымышленной телепортации началась в 1993 году, когда американский физик Чарльз Беннетт математически - при помощи формул - доказал теоретическую возможность мгновенных квантовых перемещений.

Конечно, это были сугубо теоретические выкладки: абстрактные уравнения, не имеющие никакого практического применения. Однако точно так же - математическим путем - уже были открыты, например, черные дыры, гравитационные волны и другие явления, подтвердить существование которых экспериментально удалось гораздо позже.

Так что расчеты Беннетта стали настоящей сенсацией. Ученые начали активно вести исследования в этом направлении - и первый успешный опыт квантовой телепортации удалось провести уже через несколько лет.

Тут нужно подчеркнуть, что речь идет именно о квантовой телепортации, а это не совсем то же самое, что мы привыкли видеть в фантастических фильмах. Из одного места в другое передается не сам материальный объект (например, фотон или атом - ведь все состоит из атомов), а информация о его квантовом состоянии. Однако в теории этого достаточно, чтобы "восстановить" исходный объект в новом месте, получив его точную копию. Более того, такие опыты уже тоже успешно проводятся в лабораториях - но об этом чуть ниже.

В привычном нам мире эту технологию проще всего сравнить с ксероксом или факсом: вы посылаете не сам документ, а информацию о нём в электронном виде - но в результате у получателя оказывается его точная копия. С той существенной разницей, что в случае с телепортацией сам отсылаемый материальный объект разрушается, то есть исчезает - и остается лишь копия.

Давайте попробуем разобраться, как это происходит.

Играет ли Бог в кости?


Слышали про кота Шрёдингера - того, что сидит в коробке ни жив ни мёртв? Эту оригинальную метафору австрийский физик Эрвин Шрёдингер придумал для описания загадочного свойства элементарных частиц - суперпозиции. Дело в том, что квантовые частицы могут одновременно находиться сразу в нескольких состояниях, которые в привычном нам мире полностью исключают друг друга. Например, электрон не вращается вокруг ядра атома, как мы привыкли думать, а находится одновременно во всех точках орбиты (с разной вероятностью).

Пока мы не открыли кошачью коробку, то есть не измерили характеристики частицы (в нашем примере - не определили точное местоположение электрона), сидящий там кот не просто жив или мёртв - он и жив, и мёртв одновременно. Но когда коробка открыта, то есть измерение сделано, частица оказывается в одном из возможных состояний - и больше оно не меняется. Наш кот либо жив, либо мертв.

Если в этом месте вы окончательно перестали что-либо понимать - не переживайте, этого не понимает никто. Природу квантовой механики уже много десятилетий не могут объяснить самые гениальные физики мира.

Для телепортации используется явление квантовой запутанности. Это когда две элементарные частицы имеют одно происхождение и находятся во взаимозависимом состоянии - проще говоря, между ними существует некая необъяснимая связь. За счёт этого запутанные частицы могут "общаться" между собой, даже находясь на огромном расстоянии друг от друга. И, узнав состояние одной частицы, вы можете с абсолютной уверенностью предсказать состояние другой.
Учёные активно ведут эксперименты квантовой телепортации






О необъяснимом феномене запутанных частиц Альберт Эйнштейн много лет спорил с одним из отцов-основателей квантовой теории Нильсом Бором (слева). В ходе одного из таких споров Эйнштейн произнес свою знаменитую фразу "Бог не играет в кости", на что получил от Бора ответ: "Альберт, не указывай Богу, что ему делать!"

Представьте, что у вас есть две игральные кости, которые в сумме всегда дают семь. Вы потрясли их в стакане и одну кость бросили за спину, а другую - перед собой и накрыли ладонью. Подняв руку, вы увидели, что выбросили, скажем, шестерку - и теперь можете с уверенностью утверждать, что вторая кость, у вас за спиной, выпала единицей кверху. Ведь сумма двух чисел должна быть равна семи.

Звучит невероятно, правда? С привычными нам игральными костями такой номер не пройдет, а вот запутанные частицы ведут себя именно так - и только так, хотя природа этого явления пока тоже не поддается объяснению.

"Это самый невероятный феномен квантовой механики, его невозможно даже осмыслить, - разводит руками профессор MIT Уолтер Левин, один из самых авторитетных физиков мира. - И не спрашивайте меня, почему так происходит и как это работает, потому что такой вопрос - это удар ниже пояса! Всё, что мы можем сказать - судя по всему, именно так устроен наш мир".

Однако это вовсе не значит, что этот загадочный феномен нельзя использовать на практике - ведь он раз за разом подтверждается как формулами, так и экспериментами.
Учёные активно ведут эксперименты квантовой телепортации


Символ квантовой запутанности


Практическая телепортация


Практические опыты по телепортации начались около 10 лет назад на Канарских островах под руководством австрийского физика, профессора Венского университета Антона Цайлингера.

В лаборатории на острове Пальма ученые создают пару запутанных фотонов (А и В), а потом один из них при помощи лазерного луча отправляют в другую лабораторию, расположенную на соседнем острове Тенерифе, в 144 км. При этом обе частицы находятся в состоянии суперпозиции - то есть мы еще не "открыли кошачью коробку".

Потом к делу подключают третий фотон (С) - тот, что нужно телепортировать - и заставляют его вступить во взаимодействие с одной из запутанных частиц. Затем физики измеряют параметры этого взаимодействия (А+С) и передают полученное значение в лабораторию на Тенерифе, где находится второй запутанный фотон (В).

Необъяснимая связь между А и В позволят превратить В в точную копию частицы С (А+С-В) - как будто она мгновенно переместилась с одного острова на другой, не пересекая океан. То есть телепортировалась.
Учёные активно ведут эксперименты квантовой телепортации


Антон Цайлингер руководит работами по практической телепортации

"Мы как бы извлекаем ту информацию, которую несет оригинал - и создаем новый оригинал в другом месте", - объясняет Цайлингер, который телепортировал таким образом уже тысячи и тысячи элементарных частиц.

Значит ли это, что в будущем ученые смогут таким образом телепортировать любые предметы и даже людей - ведь мы тоже состоим из таких частиц?

В теории это очень даже возможно. Нужно лишь создать достаточное количество запутанных пар и разнести их в разные места, поместив в "телепортационные кабины" - скажем, в Лондоне и в Москве. Вы заходите в третью кабину, работающую как сканер: компьютер анализирует квантовое состояние ваших частиц, сравнивая их с запутанными, и посылает эту информацию в другой город. А там происходит обратный процесс - и из запутанных частиц воссоздается ваша точная копия.

"Фундаментальные вопросы решены"


На практике всё несколько сложнее. Дело в том, что в нашем теле примерно 7 октиллионов атомов (после семерки идет 27 нулей, то есть это семь миллиардов миллиардов миллиардов) - это больше, чем звезд в обозримой части Вселенной.

А ведь проанализировать и описать нужно не только каждую отдельную частицу, но и все связи между ними - ведь в новом месте их необходимо собрать в идеально правильном порядке.

Собрать и передать такое количество информации практически невозможно - во всяком случае, на современном уровне развития технологий. И когда появятся компьютеры, способные обрабатывать такие объемы данных, неизвестно. Сейчас, во всяком случае, работа ведется над увеличением расстояния между лабораториями, а не количества телепортируемых частиц.

Именно поэтому многие ученые считают, что мечта о телепортации человека вряд ли осуществима. Хотя, например, профессор Нью-Йоркского Сити-колледжа и известный популяризатор науки Митио Каку убежден, что телепортация станет реальностью уже до конца XXI века - а может, и через 50 лет. Не называя конкретных сроков, с ним в целом согласны и некоторые другие эксперты.

"Это вопрос улучшения технологии, улучшения качества. Но я бы сказал, что фундаментальные вопросы решены - и дальше нет предела совершенству", - уверенпрофессор Института Нильса Бора в Копенгагенском университете Юджин Ползик.
Учёные активно ведут эксперименты квантовой телепортации


Однако тут попутно возникает масса других вопросов. Например, будет ли полученная в результате такой телепортации "копия меня" - настоящим мной? Будет ли она так же думать, обладать теми же воспоминаниями? Ведь, как уже упоминалось раньше, оригинал отсылаемого предмета в результате квантового анализа разрушается.

"Для квантовой телепортации разрушение телепортируемого предмета в процессе - абсолютно необходимо и неизбежно, - подтверждает Эдвард Фархи, который с 2004 по 2016 гг. возглавлял Центр теоретической физики MIT, а сейчас работает в Google. - Я думаю, вы просто превратились бы в кучу нейтронов, протонов и электронов. Выглядели бы вы не лучшим образом".

С другой стороны, с сугубо материалистичной точки зрения, нас определяют не сами частицы, из которых мы состоим, а их состояние - а эта информация, утверждают ученые, передается исключительно точно.
Хотелось бы верить, что это так. И что мечта человечества о телепортации не обернется реальностью известного фильма ужасов, где главный герой не заметил, как в его телепортационную кабину случайно залетела муха...
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: