НИКОЛАЙ ПОЛУЭКТ0В
Одной из главных научных новостей этого года стало экспериментальное подтверждение явления так называемой квантовой телепортации — поражающего воображение, и даже выглядящего несколько мистически феномена мгновенной связи между микрочастицами. Сообщения из научных кругов вызвали в широкой прессе массу псевдонаучных комментариев о возможности мгновенного перемещения тел в пространстве. На самом деле все это не так. У квантовой телепортации действительно есть колоссальный технологический потенциал, но лежит он совсем в других сферах — в области связи и вычислительной техники.
Вовсе неудивительно, что за сообщениями об успешных экспериментах по квантовой телепортации последовали их самые фантастические интерпретации: с момента своего возникновения в начале 20-х годов уходящего столетия квантовая механика была и остается самым интригующим разделом физики. В мире больших тел квантовые эффекты ненаблюдаемы. Цитируя Ричарда Фейнмана, квантовую механику невозможно постичь, в нее можно лишь поверить. В голове не укладывается, что частица не обладает траекторией; что она одновременно находится в каждой точке пространства; что она может спокойно пройти, или “протуннелировать”, сквозь преграду, и если нам удалось задержать ее в какой-нибудь ловушке, то предоставленная самой себе частица вскоре расплывется.
Высказывались суждения, что в будущем путешествовать будут исключительно посредством телепортации, исчезая в одном месте и воспроизводясь в другом. Подобная точка зрения полностью не соответствует действительности: квантовая телепортация отнюдь не означает возможности перемещения материального объекта.
На самом деле речь идет о переносе состояния с одной частицы на другую независимо от того, как далеко друг от друга они находятся. Под состоянием частицы в квантовой физике подразумевается определенный набор характеризующих ее параметров, например импульс. Для того чтобы “телепортировать” материальное тело, нужно иметь по месту назначения “строительный материал” — набор атомов, в точности совпадающий с тем, из которого состоит оригинальное тело. Но даже предположив, что нам удалось собрать эти частицы (которых насчитывается 10" штук в каждом кубическом сантиметре твердой материи), нужно суметь передать им квантовое состояние телепортируемого предмета. Что является состоянием макроскопического тела, на сегодняшний день неизвестно. Некоторые ученые вообще подвергают сомнению саму возможность использования квантовой теории “в доступном нашему восприятию мире”.
Имена героев
Существование квантовой телепортации было предсказано ещё до войны, но первую принципиальную схему эксперимента по реализации такого взаимодействия предложили только в 1993 году. Это сделала группа специалистов исследовательского центра IBM, возглавляемого Ч. Беннетом. Тогда же ими был введен и термин “квантовая телепортация”. Сам же эксперимент был впервые осуществлен в конце прошлого года: группа австрийских физиков под руководством А. Цайлингера наблюдала телепортацию квантового состояния на примере фотонов света. Сообщения о более позднем эксперименте по телепортации фотонов, поставленном в Италии, появились этой весной. Результаты еще одного эксперимента, показывающие наличие связи между состояниями фотонов на гигантских (в масштабах микромира) расстояниях — более 10 км — опубликованы швейцарскими учеными уже летом этого года в журнале Physical Review А.
Эффект квантовой телепортации сейчас в центре внимания физиков, он регулярно затрагивается в специальных журиалах — Nature, Scientific American. Телепортация была включена в темы докладов на прошедшей летом в Москве XVI международной конференции “Когерентная и нелинейная оптика”.
Однажды Эйнштейн попытался рассуждать здраво. И ошибся
Интересно, что предсказание эффекта квантовой телепортации было сделано человеком, пытавшимся ее опровергнуть. Этим человеком был создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, оказавшийся гениальным и удачливым и в своих заблуждениях.
Возражая против новой теории, Эйнштейн придумал знаменитый парадокс, опубликованный им в 1935 году в соавторстве с Б. Подольским и Н. Розеном. Он взял основной постулат квантовой теории, так называемый принцип неопределенности Гейзенберга (не будем здесь вдаваться в объяснения, что это такое), и логически вывел из него следующий тезис: если есть две частицы —А и Б, разлетевшиеся в разных направлениях после соударения, то состояние частицы, Б зависит от состояния частицы А, причем эта зависимость проявляется мгновенно и на любом расстоянии между А и Б. Этот парадокс и послужил впоследствии основой для открытия явления “телепортации”! Но Эйнштейн считал мгновенную передачу сигнала невозможной, противоречащей здравому смыслу и нашему повседневному опыту. Кроме того, конечность скорости распространения взаимодействий является основным постулатом теории относительности Эйнштейна. Сформулировав свой парадокс, Эйнштейн считал, что доказал несостоятельность квантовой теории.
Но, как выяснилось уже после смерти Эйнштейна, все было не так. То, на что указывал Эйнштейн, не было слабым местом квантовой механики — напротив, это оказалось одним из поразительнейших ее следствий. Эксперимент Джона Белла, поставленный в 1965 году, подтвердил наличие аномальной, с точки зрения здравого смысла, связи между однажды провзаимодействовавшими частицами.
Когда-то можно будет позвонить по квантовому телефону. Но не в этой пятилетке
Квантовая телепортация может играть значительную роль в будущих системах передачи информации. Если когда-либо будет создана квантово-механическая ЭВМ, теоретические основы которой были заложены Ричардом Фейнманом в конце 70-х—- начале 80-х годов, то информация в ней будет храниться в виде набора квантовых состояний. Эффекты ЭПР и квантовой телепортации позволят вести копирование и обмен информацией внутри квантового компьютера. И не только компьютера — можно телепортировать данные в любых цифровых системах. Преимущество телепортационного способа передачи информации заключается в том, что из одной точки пространства в другую переносится точная копия состояния, являющегося элементарной ячейкой памяти. Таким образом, появляется возможность паредавать информацию без потерь, со 100-процентной эффективностью. Именно перспектива создания принципиально новых систем связи и определяет нынешний научный ажиотаж вокруг квантовой телепортации. Впрочем, что касается инженерных решений этой задачи, то не следует думать, что они будут найдены завтра: технологические проработки только начались.