Новость о том, что обсуждаемая в российском правительстве программа «Национальная технологическая инициатива» предусматривает в том числе и технологии телепортации, вызвала оживленные отклики. Среди пользователей соцсетей эти отклики были преимущественно ироническими. Однако следует помнить, что правительство вовсе не вынашивает утопические планы заменить все средства транспорта кабинками, которые будут мгновенно перемещать людей в пространстве. НТИ предусматривает развитие технологий квантовой телепортации, которая хоть и делает первые шаги, но уже явно относится не к фантастике, а к реальности.
© Pixabay
Более того, если в России говорят о создании работающих технологий квантовой телепортации к 2035 году, то аналитики нью-йоркской медиакомпании Thomson Reuters полагают, что квантовая телепортация станет обыденным фактом уже в 2025 году. Она вошла в доклад «Мир в 2025 году. Десять предсказаний инноваций», где специалисты, изучив патенты, выданные в мире в 2012 – 2015 годах, выделили десять основных направлений, развитие которых будет наиболее быстрым.
Квантовая физика, описывая объекты микромира, наделяет их свойствами, которые очень часто кажутся парадоксальными для разума обычного человека. Каждый объект обладает определенными характеристиками, например, хотя бы положением в пространстве, которое описывается координатами. У частиц могут быть заряд, спин и другие характеристики. Нам привычно, что эти характеристики могут быть точно указаны. Но для объектов микромира, к которым и относятся элементарные частицы, дело обстоит иначе. Их состояние описывается волновой функцией, которая задает вероятности, с которыми частица имеет то или иное значение каждой своей характеристики. При этом сам квантовый объект находится во всех возможных состояниях сразу (это называют суперпозицией состояний). Когда же исследователь измеряет значение характеристики, происходит «коллапс волновой функции», неопределенность исчезает. С точки зрения квантовой теории, до момента измерения частица находится в состоянии суперпозиции – то есть его характеристика одновременно с какой-то вероятностью принимает каждое из возможных значений. В момент измерения суперпозиция снимается, и факт измерения «заставляет» частицу принять конкретное состояние. Это противоречит интуитивным представлениям человека о природе вещей.
Предположим, в ходе какого-то процесса рождается пара частиц. Законы сохранения требуют, чтобы они имели определенные характеристики. Например, из двух возникших фотонов один должен иметь спиральность +1, а другой -1. Но, как уже говорилось, до того, как наблюдатель измерит спиральность фотона, он находится в состоянии суперпозиции. И вот мы узнаем, что спиральность одного фотона положительна. Тут же у другого фотона, как бы далеко он ни находился, спиральность оказывается отрицательной. Получается, что между частицами происходит взаимодействие, причем это взаимодействие распространяется с огромной скоростью (потенциально – с бесконечной скоростью, если нам удастся разнести эти фотоны на бесконечное расстояние). Такая зависимость квантовых состояний и называется квантовой запутанностью (этот термин ввел Шрёдингер). Квантово запутанных частиц может быть не пара, а больше, и характеристики их могут быть не двузначными, мы лишь рассмотрели самый простой пример.
Забавную бытовую иллюстрацию феномена квантовой запутанности придумал физик Джон Белл. У него был рассеянный коллега Рейнгольд Бертлман, который очень часто приходил на работу в разных носках. Белл шутил, что если наблюдателю виден только один носок Бертлмана, и он розовый, то про второй, даже не видя его, можно совершенно точно сказать, что он не розовый. Разумеется, это просто забавная, не претендующая на проникновение в суть вещей аналогия. В отличие от частиц, которые до момента измерения находятся в состоянии суперпозиции, носок с самого утра на ноге один и тот же.
Когда-то многие считали все рассуждения о вероятностной природе квантовых явлений лишь метафорой, облегчающей понимание. Предполагали, что сами фотоны изначально «знают» свои характеристики, просто мы не можем их определить до измерения. Последовательно стоявший на детерминистских позициях Эйнштейн отказывался считать эту ситуацию чем-то большим, чем абстрактным умопостроением. В своем письме к физику Борну он иронически назвал взаимодействие запутанных частиц «жутким дальнодействием». Развитие физики показало, что это не так и что за парадоксальными построениями теоретиков стоит реальность.
Британец Джон Белл, работавший в ЦЕРНе, опубликовал в 1964 году статью, из которой следовала возможность экспериментально проверить, когда определяются характеристики квантово запутанных частиц: в момент их рождения или в тот момент, когда эта характеристика измерена. Статистические результаты эксперимента должны были отличаться в зависимости от того, какой из этих вариантов соответствует действительности. И экспериментальные проверки последовали. В 1972 году опыт провели Джон Клаузер и Стюарт Фридман, в 1981 другой эксперимент осуществил Ален Аспэ. В обоих случаях оказалось, что квантовая запутанность реально существует и характеристика пары запутанных частиц неопределенна до ее измерения у одной из частиц. В частности, в эксперименте Аспэ общая спиральность фотонов была равна нулю, но у какого фотонов спиральность +1, а у какого -1, определялось лишь в момент измерения. До этого момента каждый фотон находился в суперпозиции двух состояний.
В дальнейшем удалось экспериментально получить пары квантово запутанных частиц. В 2007 году расстояние между квантово запутанными частицами было равно метру (в опыте физиков Мичиганского университета), в 2008 швейцарские физики добились расхождения запутанных фотонов уже на 18 километров. А чуть позже в лабораториях на островах Тенерифе и Ла-Пальма в Канарском архипелаге квантово запутанные фотоны разделялись уже 144 километрами. В результате таких опытов выяснилось, что если каким-то образом взаимодействие между запутанными частицами происходит, оно должно распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме не менее чем в 100 000 раз.
В 2004 году в эксперименте по квантовой телепортации были задействованы одновременно пять запутанных фотонов. 26 февраля 2015 года физики сообщили, что им удалось квантово телепортировать несколько степеней свободы одиночного фотона. Также в 2015 году в Национальном институте стандартов и технологий США был поставлен рекорд по квантовой телепортации фотонов по оптоволоконному кабелю (в экспериментах, описанных выше, телепортация осуществлялась по воздуху). Они использовали специально разработанные сверхпроводящие нановолокна, охлажденные до температуры -272°C. В результате передать информацию о состоянии запутанных фотонов удалось на 102 километра (предыдущий рекорд для оптоволоконной связи – 25 км).
Впечатляющий эксперимент в 2014 году провели ученые из Института квантовой оптики и квантовой информации (Institute for Quantum Optics and Quantum Information, IQOQI) Венского центра квантовой науки и технологии (Vienna Center for Quantum Science and Technology, VCQ) и Венского университета. Используя квантовую запутанность, они заставили свет формировать изображения объектов, к которым данный поток фотонов никогда не прикасался.
Практические приложения квантовой телепортации – это создание квантовых компьютеров, методы дальнодействующей и устойчивой к помехам связи и криптография. Совсем недавно группа ученых из ряда университетов США и Института Нильса Бора в Копенгагене предложила использовать явление квантовой запутанности для создания сети сверхточных атомных часов. Ошибка в таких часах, по расчетам ученых, составит одну секунду за 300 миллионов лет, что более чем в сто раз точнее ныне существующих атомных часов. Сейчас в этой области активно работают ученые многих стран, поэтому надо быть готовыми к новым достижениям. Новости об экспериментах с квантовой телепортацией в ближайшие годы будут поступать регулярно, а через десять лет или чуть больше технологии на ее основе уже найдут практическое применение. И тогда слово «телепортация» уже не будет вызывать в первую очередь ассоциации с фантастическими романами.
Источник: Максим Руссо polit.ru
