Физики делают большие успехи в квантовой телепортации, но до «Звездного пути» еще далеко.
Автор: Билл Гурджи | Опубликовано 20 октября 2022 г. 11:30
Реактивные ранцы, летающие автомобили, ховерборды, скоростные поезда — изобретатели придумали все виды творческих способов, от научной фантастики до научных фактов, чтобы добраться из пункта А в пункт Б. Но когда дело доходит до транспортной нирваны, ничто не сравнится с телепортацией — мгновенным путешествием без транспортных средств. Если технология beam-me-up-Scotty привлекла меньше внимания, чем другие транспортные тропы — Popular Science опубликовала краткие объяснения в ноябре 1993 года и сентябре 2004 года — это не потому, что идея не привлекательна. К сожалению, за последние десятилетия в науке о телепортации просто не было большого прогресса, о котором можно было бы сообщить. Однако, начиная с 2010-х годов, новые открытия на субатомном уровне встряхивают игровое поле: в частности, квантовая телепортация.
Только в этом месяце Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена трем ученым “за эксперименты с запутанными фотонами”, согласно данным Шведской королевской академии наук, которая выбирает победителей. Работа получателей продемонстрировала, что телепортация возможна — ну, по крайней мере, между фотонами (и с некоторыми серьезными оговорками относительно того, что может быть телепортировано). Физики — Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер — добились независимых прорывов за последние несколько десятилетий. Результат их работы не только продемонстрировал квантовую запутанность в действии, но и показал, как тайное свойство может быть каналом для телепортации квантовой информации от одного фотона к другому. Хотя их результаты и близко не подходят к превращению аэропортов и железнодорожных вокзалов в транспортные средства в стиле «Звездного пути», они находят применение в многообещающих приложениях, включая квантовые вычисления, квантовые сети и квантовое шифрование.
“Телепортация — очень вдохновляющее слово”, — говорит Мария Спиропулу, профессор физики Шан-И-Чен Калифорнийского технологического института и директор программы квантовой сети INQNET. “Это пробуждает наши чувства и наводит на мысль, что происходит странное явление. Но в квантовой телепортации не происходит ничего странного”.
Когда в начале 20-го века квантовая механика обсуждалась такими физиками, как Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор и Эрвин Шредингер, становилось ясно, что на уровне субатомных частиц у природы, по-видимому, есть свой собственный скрытый канал связи, называемый квантовой запутанностью. Эйнштейн научно описал это явление в статье, опубликованной в 1935 году, но, как известно, назвал его “жутким действием на расстоянии”, потому что оно, казалось, бросало вызов обычным законам физики. В то время это казалось таким же фантастическим, как телепортация — фраза, впервые придуманная писателем Чарльзом Фортом всего четырьмя годами ранее для описания необъяснимых явлений, таких как НЛО и полтергейст.
“Пятьдесят лет назад, когда ученые начали проводить [квантовые] эксперименты, — говорит Спиропулу, — это все еще считалось довольно эзотерическим”. Как бы отдавая дань уважения этим ученым, в кабинете Спиропулу висит гравюра в честь физика Ричарда Фейнмана. Фейнман получил Нобелевскую премию в 1965 году за свои диаграммы Фейнмана, графическую интерпретацию квантовой механики.
Спиропулу отождествляет квантовую запутанность с общими воспоминаниями. “Как только вы вступаете в брак, не имеет значения, сколько у вас может быть разводов”, — объясняет она. Поскольку вы вместе создали воспоминания, “вы связаны навсегда”. На субатомном уровне “общая память” между частицами обеспечивает мгновенную передачу информации о квантовых состояниях — таких как атомный спин и поляризация фотонов — между удаленными частицами. Эти биты информации называются квантовыми битами, или кубитами. Классические цифровые биты являются двоичными, что означает, что они могут содержать только значение 1 или 0, но кубиты могут представлять любой диапазон от 0 до 1 в суперпозиции, что означает, что существует определенная вероятность быть 0 и определенная вероятность быть 1 одновременно. Способность кубитов принимать бесконечное число потенциальных значений одновременно позволяет им обрабатывать информацию намного быстрее — и это именно то, что физики ищут в системе, использующей квантовую телепортацию.
[По теме: Квантовая телепортация реальна, но это не то, что вы думаете]
Но для того, чтобы кубиты работали как информационные процессоры, они должны обмениваться информацией так же, как классические компьютерные чипы обмениваются информацией. Войдите в запутывание и телепортацию. Связывая субатомные частицы, такие как фотоны или электроны — кубиты, — а затем разделяя их, можно выполнять операции с одной из них, которая генерирует мгновенный отклик в ее запутанном двойнике.
Самое большое расстояние на сегодняшний день, на котором были разделены кубиты, было установлено китайскими учеными, которые использовали квантовую запутанность для отправки информации из Тибета на спутник, находящийся на орбите в 870 милях от них. На твердой земле рекорд составляет всего десятки миль, пройденных по волоконно-оптическим соединениям и по воздуху (лазеры прямой видимости).
Странное поведение кубитов — они ведут себя так, как будто они все еще вместе, независимо от того, как далеко друг от друга они были разделены, — продолжает озадачивать, но и удивлять физиков. “Это действительно кажется волшебным”, — признает Спиропулу. “Эффект выглядит очень «вау!» Но как только вы его разбираете, тогда это инженерное дело”. И всего за последние пять лет в квантовой инженерии были достигнуты большие успехи в применении таинственных, но предсказуемых характеристик кубитов. Помимо достижений в области квантовых вычислений, достигнутых такими технологическими гигантами, как Google, IBM и Microsoft, Спиропулу возглавляет финансируемую правительством и частными лицами программу по созданию квантового Интернета, использующего квантовую телепортацию.
Под руководством постдокторантов Спиропулу из Калифорнийского технологического института Венкаты Р. (Раджу) Валиварти и Нила Синклера вот как будет работать современная квантовая телепортация (возможно, вам захочется пристегнуться).:
Шаг 1: Запутать
С помощью лазера поток фотонов проходит через специальный оптический кристалл, который может разделять фотоны на пары. Пара фотонов теперь запутана, что означает, что они обмениваются информацией. Когда меняется один, изменится и другой.
Шаг 2: Откройте канал квантовой телепортации
Затем один из двух фотонов посылается по волоконно-оптическому кабелю (или другой среде, способной передавать свет, такой как воздух или пространство) в удаленное место.Это открывает квантовый канал для телепортации. Удаленный фотон (обозначенный как фотон один выше) становится приемником, в то время как фотон, который остается позади (обозначенный как фотон два), является передатчиком. Этот канал не обязательно указывает направление потока информации, поскольку фотоны могут распространяться окольными путями.
Шаг 3: Подготовьте сообщение для телепортации
Третий фотон добавляется к смеси и кодируется с информацией, подлежащей телепортации. Этот третий фотон является носителем сообщения. Типы передаваемой информации могут быть закодированы в так называемые свойства или состояние фотона, такие как его положение, поляризация и импульсы. (Вот тут-то и появляются кубиты, если вы думаете о закодированном сообщении в терминах 0s, 1s и их суперпозиций.)
Шаг 4: Телепортируйте закодированное сообщение
Одно из любопытных свойств квантовой физики заключается в том, что состояние или свойства частицы, такие как ее спин или положение, не могут быть известны до тех пор, пока они не будут измерены. Вы можете думать об этом как о игральных костях. Один кубик может содержать до шести значений, но его значение неизвестно до тех пор, пока он не будет брошен. Измерение частицы похоже на бросание игральных костей, оно фиксирует определенное значение. При телепортации, как только третий фотон закодирован, проводится совместное измерение свойств второго и третьего фотонов, что означает, что их состояния измеряются одновременно, а их значения фиксируются (например, просмотр значения пары игральных костей). Акт измерения изменяет состояние второго фотона, чтобы оно соответствовало состоянию третьего фотона. Как только второй фотон изменяется, первый фотон на приемном конце квантового канала переходит в соответствующее состояние.
Теперь информация находится у фотона номер один — приемника. Однако, даже несмотря на то, что информация была телепортирована в удаленное место, она все еще закодирована, что означает, что, подобно развернутому кубику, она неопределима до тех пор, пока ее нельзя будет декодировать или измерить. Измерение первого фотона должно соответствовать совместному измерению, проведенному для второго и третьего фотонов. Таким образом, результат совместного измерения, проведенного на фотонах два и три, записывается и отправляется в местоположение фотона один, чтобы его можно было повторить, чтобы разблокировать информацию. В этот момент фотоны два и три исчезают, потому что акт измерения фотонов уничтожает их. Фотоны поглощаются тем, что используется для их измерения, например, нашими глазами.
Шаг 5: Завершите телепортацию
Чтобы расшифровать состояние фотона один и завершить телепортацию, фотоном один необходимо манипулировать на основе результатов совместного измерения, также называемого его вращением, что похоже на бросание кубиков так же, как они были брошены ранее для фотонов один и два. Это декодирует сообщение — аналогично тому, как двоичные 1 и 0 преобразуются в текстовые или числовые значения. На первый взгляд телепортация может показаться мгновенной, но поскольку инструкции по декодированию из совместного измерения могут быть отправлены только с помощью света (в данном случае по оптоволоконному кабелю), фотоны передают информацию только со скоростью света. Это важно, потому что в противном случае телепортация нарушила бы принцип относительности Эйнштейна, который гласит, что ничто не движется быстрее скорости света — если бы это произошло, это привело бы ко всевозможным странным последствиям и, возможно, перевернуло бы физику. Теперь закодированная информация в фотоне три (посланник) была телепортирована из положения фотона два (передатчик) в положение фотона один (приемник) и декодирована.
Фух! Квантовая телепортация завершена.
Поскольку сегодня мы передаем цифровые биты с помощью света, может показаться, что квантовая телепортация и квантовые сети не дают никаких неотъемлемых преимуществ. Но разница существенна. Кубиты могут передавать гораздо больше информации, чем биты. Кроме того, квантовые сети более безопасны, поскольку попытки вмешаться в квантовую запутанность разрушили бы открытый квантовый канал.
Исследователи обнаружили множество различных способов запутывания, передачи и измерения субатомной информации. Кроме того, они переходят от телепортации информации о фотонах к телепортации информации о частицах большего размера, таких как электроны и даже атомы.
[По теме: Космические путешествия на варп-скорости стали чуть более реалистичными]
Но это все равно просто передаваемая информация, а не материя — материал, из которого сделаны люди. Хотя конечной мечтой может быть человеческая телепортация, на самом деле может быть и хорошо, что мы еще не достигли этого.
Телевизионная и кинофраншиза «Звездный путь» не только помогла популяризировать телепортацию, но и придала ей гламурный вид с помощью блестящего эффекта растворения и запоминающегося тона переноса. С другой стороны, «Муха», фильм о телепортации, пошедшей не так, нарисовал гораздо более мрачную, но, возможно, более достоверную с научной точки зрения картину телепортации. Это потому, что телепортация — это действительно акт перевоплощения. Телепортация живой материи — дело рискованное: для этого потребовалось бы сканировать информацию путешественника в точке отправления, передавать эту информацию в нужные координаты и деконструировать их в точке отправления, одновременно реконструируя путешественника в точке прибытия — мы бы не хотели, чтобы заблудившиеся копии нас самих были на свободе. Мы также не хотели бы оказаться безжизненной копией самих себя. Мы должны были бы прибыть с неповрежденными всеми нашими системами биения, дыхания, моргания, чтобы процесс был успешным. Телепортация живых существ, по своей сути, является вопросом жизни и смерти.
Или нет.
Выдающиеся умы, такие как Стивен Хокинг, предположили, что информация, или векторное состояние, которое телепортируется по каналам квантовой запутанности, не обязательно должна ограничиваться свойствами субатомных частиц. Фактически, согласно этой теории, можно было бы телепортировать информацию, содержащуюся в целых черных дырах. Это становится странным, но, запутав две черные дыры и соединив их червоточиной (кратчайший путь в пространстве-времени), информация, которая исчезает в одной черной дыре, может появиться из другой в виде голограммы. Согласно этому рассуждению, векторные состояния молекул, людей и даже целых планет теоретически могут быть телепортированы в виде голограмм.
Кип Торн, физик из Калифорнийского технологического института, получивший в 2017 году Нобелевскую премию по физике за обнаружение гравитационных волн, возможно, лучше всего объяснил возможности телепортации и путешествий во времени еще в 1988 году: “Можно представить, как развитая цивилизация вытаскивает червоточину из квантовой пены и увеличивает ее до классических размеров. Это может быть проанализировано с помощью методов, разрабатываемых в настоящее время для вычисления спонтанного образования червоточин с помощью квантового туннелирования ”.
На данный момент Спиропулу по-прежнему сосредоточен на ближайших перспективах квантовой телепортации. Но это будет совсем не похоже на «Звездный путь». “Телепортируешь меня наверх, Скотти?’ Ничего подобного”, — говорит она. “Но да, большой прогресс. И это преображает”.
От АВТОРА: Bill Gourgey: Bill Gourgey is a Popular Science contributor and unofficial digital archeologist who enjoys excavating PopSci’s vast archives to update noteworthy stories (yes, merry-go-rounds are noteworthy). — https://www.popsci.com/science/quantum-teleportation-history/