Квантовая телепортация: Туннель

Сериал «Звездные врата» и фильм «Контакт», не говоря уже омногочисленных книжках, сделали идею телепортации обыденной, если несказать банальной.

Герои мгновенно перемещаются между точками пространства — для них это привычные путешествия или рутинная работа. Современная наука допускаеттакую возможность, вот только со скоростью перемещения не все гладко. В фантастических мирах, придуманных писателями и сценаристами,телепортация давно стала стандартной транспортной услугой. Кажется,сложно найти настолько же быстрый, удобный и в то же время интуитивнопонятный способ перемещения в пространстве.

Красивую идею телепортации поддерживают и ученые: еще основателькибернетики Норберт Винер в своей работе «Кибернетика и общество»посвятил «возможности путешествовать при помощи телеграфа» целую главу. С тех пор прошло полвека, и за это время мы почти вплотную приблизились к мечте человечества о таких путешествиях: в нескольких лабораториях мира осуществлена успешная квантовая телепортация.

Основы

Почему телепортация именно квантовая? Дело в том, что квантовыеобъекты (элементарные частицы или атомы) обладают специфическимисвойствами, которые обусловлены законами квантового мира и в макромирене наблюдаются. Именно такие свойства частиц и послужили основойэкспериментов по телепортации.

ЭПР-парадокс

В период активного развития квантовой теории, в 1935 году, взнаменитой работе Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена «Может ли квантово-механическое описание реальности быть полным?» былсформулирован так называемый ЭПР-парадокс (парадоксЭйнштейна-Подольского-Розена).

Авторы показали, что из квантовой теории следует: если есть двечастицы A и B с общим прошлым (разлетевшиеся после столкновения илиобразовавшиеся при распаде некоторой частицы), то состояние частицы Bзависит от состояния частицы A и эта зависимость должна проявлятьсямгновенно и на любом расстоянии. Такие частицы называют ЭПР-парой иговорят, что они находятся в «запутанном» состоянии.Прежде всего напомним, что в квантовом мире частица — это объектвероятностный, то есть она может находиться в нескольких состоянияходновременно — например, может быть не просто «черной» или «белой», а«серой». Однако при измерении такой частицы мы всегда увидим только одно из возможных состояний — «черное» или «белое», причем с определеннойпредсказуемой вероятностью, а все остальные состояния при этомразрушатся. Более того, из двух квантовых частиц можно создать такое«запутанное» состояние, что все будет еще интереснее: если одна из нихокажется при измерении «черной», то другая — непременно «белой», инаоборот!

Чтобы разобраться, в чем же заключается парадокс, сначала проведемопыт с макроскопическими объектами. Возьмем два ящика, в каждом изкоторых лежат по два шара — черный и белый. И отвезем один из этихящиков на Северный полюс, а другой на Южный.

Если мы вынем на Южном полюсе один из шаров (например, черный), тоэто никак не повлияет на результат выбора на Северном полюсе. Совершенно не обязательно, что там нам в этом случае попадется именно белый шар.

Этот простой пример подтверждает, что наблюдать ЭПР-парадокс в нашеммире невозможно.

Но в 1980 году Алан Аспект экспериментально показал, что в квантовоммире ЭПР-парадокс действительно имеет место. Специальные измерениясостояния ЭПР-частиц A и B показали, что ЭПР-пара не просто связанаобщим прошлым, но частица B каким-то образом мгновенно «узнает» о том,как была измерена частица A (какую ее характеристику измеряли) и какойполучился результат. Если бы речь шла об упомянутых выше ящиках счетырьмя шарами, то это означало бы, что вынув на Южном полюсе черныйшар, на Северном полюсе мы непременно должны вынуть белый! Но ведьвзаимодействия между A и B нет и сверхсветовая передача сигналаневозможна! В последующих экспериментах существование ЭПР-парадоксаподтверждалось, даже если частицы ЭПР-пары были удалены друг от друга на расстояние порядка 10 км.

Эти совершенно невероятные с точки зрения нашей интуиции опыты легкообъясняются квантовой теорией. Ведь ЭПР-пара как раз представляет собойдве частицы в «запутанном» состоянии, а значит, результат измерения,например, частицы A определяет результат измерения частицы B.

Интересно, что Эйнштейн считал им же предсказанное поведение частиц в ЭПР-парах «действием демонов на расстоянии» и был уверен, чтоЭПР-парадокс лишний раз демонстрирует несостоятельность квантовоймеханики, которую ученый отказывался принимать. Он полагал, чтообъяснение парадокса неубедительно, ведь «если согласно квантовой теории наблюдатель создает или может частично создавать наблюдаемое, то мышьможет переделать Вселенную, просто посмотрев на нее».

Эксперименты по телепортации

В 1993 году Чарльз Беннет и его коллеги придумали, как можноиспользовать замечательные свойства ЭПР-пар: они изобрели способпереноса квантового состояния объекта на другой квантовый объект спомощью ЭПР-пары и назвали этот способ квантовой телепортацией. А в 1997 году группа экспериментаторов под руководством Антона Цайлингеравпервые осуществила квантовую телепортацию состояния фотона. Схемателепортации подробно описана на врезке.

Ограничения и разочарования

Принципиально важно, что квантовая телепортация — это перенос необъекта, а только неизвестного квантового состояния одного объекта надругой квантовый объект. Мало того, что квантовое состояниетелепортируемого объекта так и остается для нас тайной, оно к тому женеобратимо разрушается. Но в чем мы можем быть совершенно уверены, такэто в том, что получили идентичное состояние другого объекта в другомместе.

Тех, кто рассчитывал, что телепортация будет мгновенной, ждетразочарование. В способе Беннета для успешной телепортации необходимклассический канал связи, а значит, и скорость телепортации не можетпревышать скорость передачи данных по обычному каналу.

И пока совершенно неизвестно, удастся ли перейти от телепортациисостояний частиц и атомов к телепортации макроскопических объектов.

Применение

Практическое применение для квантовой телепортации нашлось быстро —это квантовые компьютеры, где информация хранится в виде набораквантовых состояний. Тут квантовая телепортация оказалась идеальнымспособом передачи данных, который принципиально исключает возможностьперехвата и копирования передаваемой информации.

Дойдет ли очередь до человека?

Несмотря на все современные достижения в области квантовойтелепортации, перспективы телепортации человека остаются весьматуманными. Конечно, хочется верить, что ученые что-нибудь придумают. Еще в 1966 году в книге «Сумма технологии» Станислав Лем писал: «Если намудастся синтезировать из атомов Наполеона (при условии, что в нашемраспоряжении имеется его «поатомная опись»), то Наполеон будет живымчеловеком. Если снять подобную опись с любого человека и передать ее «по телеграфу» на приемное устройство, аппаратура которого на основепринятой информации воссоздаст тело и мозг этого человека, то он выйдетиз приемного устройства живым и здоровым».

Однако практика в этом случае намного сложнее теории. Так что нам свами вряд ли придется попутешествовать по мирам с помощью телепортации, а тем более — с гарантированной безопасностью, ведь достаточно однойошибки и можно превратиться в бессмысленный набор атомов. Вот опытныйгалактический инспектор из романа Клиффорда Саймака знает в этом толк ине зря считает, что «те, кто берется за передачу материи на расстояние,должны бы прежде научиться делать это как положено».

Телепортированное состояние Пусть у нас есть удаленные друг от друга наблюдатели A — Алиса и B —Боб (такие имена даны наблюдателям во всех работах по квантовойтелепортации). У Алисы есть фотон A в неизвестном состоянии, а у Боба —фотон B. Необходимо перевести фотон B у Боба в такое же состояние, какфотон A (что и будет телепортацией состояния фотона A на фотон B).

Для этого производятся следующие действия.

В некоторой точке создается ЭПР-пара из фотонов B и B1, а потом фотон B переносится в точку, где находится Боб, а фотон B1 — в точку, гденаходится Алиса.

Затем производится измерение Алисиной системы, состоящей из фотонов A и B1. В результате этого измерения часть квантовой информации о частице B1 (как составной части системы A+B1) за счет свойств ЭПР-парымгновенно передается частице B, а состояния частиц A и B1 разрушаются.

При этом полную информацию о системе A+B1 мы уже знаем и можем передатьее Бобу по классическому каналу связи.

Бобу заранее известно, что измерение системы A+B1 может датьнесколько возможных результатов. Каждому из них Боб может поставить всоответствие специально вычисленное корректирующее преобразование —такое, что если применить его к частице B, то ее состояние станеттождественным состоянию частицы A. Таким образом, при получении от Алисы информации об измерении, Бобу остается только выбрать нужноепреобразование и применить его.

В результате так и оставшееся неизвестным состояние Алисиного фотона A исчезает, зато возникает идентичное ему состояние фотона B у Боба.