Top

Телепортация: правила игры в кости и квантования кроликов

 

В 1927 году на Пятом Сольвеевском конгрессе – традиционной научной конференции, посвященной фундаментальным проблемам физики и химии, — между Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном завязалась дискуссия о проблемах квантовой механики.

«Бог не играет в кости со Вселенной» — сказал тогда Эйнштейн.

«Эйнштейн, не указывай Богу, что ему делать», — ответил Бор.

Спор между великими физиками растянулся на десятилетия и вошел в историю, как одна из самых долгих научных дискуссий. Следствием этого спора стало невероятное количество открытий в квантовой физике. В том числе и открытие эффекта квантовой телепортации.

 

Что такое телепортация, знают все. Мы мечтаем о ней, стоя в автомобильных пробках,  опаздывая на последнюю электричку и мучаясь вопросом – как поднять пианино на последний этаж? Телепортация, будь она возможна, спасла бы нас от огромного количества самых разных проблем.

 

Слово «телепортация» ввел в обиход американский писатель Чарльз Гой Форт – исследователь оккультизма и коллекционер сенсаций. В 1931 году в своей очередной книге, посвященной загадочным явлениям, Форт сконструировал термин для описания странных исчезновений и появлений, соединив греческое слово «tele» — далеко, и английское «portage» — перенос.

Но, конечно же, перемещать предметы и живых существ писатели-фантасты умели задолго до появления книг Форта.

 

Два самых распространенных способа телепортации в художественной литературе  – дырочный и транспортный луч.

Дырочный более надежный и простой. Через дыру в пространстве – портал или нуль-переход — можно переправлять целиком как предметы, так и живых существ. Без ущерба для их здоровья.

Дырочная телепортация входит в репертуар любого мало-мальски искусного иллюзиониста. Первое чему учатся фокусники – перемещать самые различные предметы: карты, монеты и цыплят в карманы зрителей. А также доставать кролика из шляпы.

 

Справка: Фокус с телепортацией кролика в шляпу был придуман в 30-ые годы XIX века шотландским актером и иллюзионистом Джоном Генри Андерсоном.

 

Телепортация часто упоминается в разного рода публицистике как «исторический факт».

 

Легенды и мифы о телепортации

Во время египетского похода примерно в 332 году до нашей эры Александр Македонский послал в разведку отряд всадников. Отряд не успел доскакать до ближайшего бархана, как вдруг исчез на глазах у всего войска. Александр Македонский тут же отправил вслед группу воинов. Но они не нашли ничего. Следы копыт на песке обрывались, словно всадники взлетели в небо. Солдаты решили, что дело здесь не обошлось без магии египетских жрецов. И устроили бунт, отказавшись идти дальше.

Уфологи считают, что отряд был телепортирован. Но есть и более реалистичная версия. Всадники могли провалиться в какую-нибудь полость или пещеру, каких полно в египетских пустынях. А сверху их просто засыпало песком.

 

Телепортация по транспортному лучу – способ достаточно сложный. Для этого необходимо предварительно разобрать груз на атомы, отсканировать их, затем переслать информацию про каждую частичку в пункт назначения и там уже заново собрать объект.

Последствия такой транспортировки непредсказуемы и чаще плачевны.

Например, в рассказе Эдварда Пейджа Митчелла «Человек без тела», опубликованном в 1877 году, некий ученый открыл способ разбирать тела на атомы и передавать их по телеграфным проводам. Опыт с кошкой прошел удачно. А вот когда ученый попытался телепортироваться сам, произошёл сбой в электропитании, в результате до места назначения добралась только его голова.

Еще более крупная неприятность произошла с другим ученым — героем рассказа французского писателя Жоржа Ланжелана. В его телепортационную камеру случайно залетела муха. В процессе перемещения атомы ученого и мухи перемешались

В художественной литературе примеров такого фатального невезения великое множество. Хотя с точки зрения науки способ перемещения по транспортному лучу более реалистичен, чем дырочный.

 

Ученые, в отличие от писателей-фантастов и публицистов-мистиков, пока что экспериментально подтвердили только один способ телепортации – квантовый. Но он не имеет никакого отношения к перемещению материальных объектов.

 

Доктор физико-математических наук Андрей Петрович Кузнецов: «Квантовая телепортация это передача на расстояние не самого объекта, а информации об объекте. В данном случае информацией является квантовое состояние элементарной частицы. Например, поляризация фотона, или проекция спина электрона на какую-то ось.

Речь идет о системе, состоящей из двух взаимодействующих подсистем — в частности, частиц. С позиций квантовой механики такую связанную систему можно описать некоей волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается, и частицы разлетаются, их по-прежнему будет описывать та же функция. Но состояние каждой отдельной частицы неизвестно в принципе. И только когда одна из них попадает в детектор, регистрирующий ее параметры (для фотона это может быть поляризация),  у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными) соответствующие характеристики. То есть, производя измерение над одной частицей, мы в тот же момент определяем и состояние другой частицы, как бы далеко эти частицы друг от друга ни находились».

 

Австрия, Инсбрук, 1997 год

Первый удачный опыт квантовой телепортации был осуществлен в 1997 году группой ученых из университета в Инсбруке. Экспериментами руководил физик Антон Цайлингер.

Почти одновременно с австрийскими физиками квантовую телепортацию фотонов подтвердили их коллеги из университета в Риме. А следом опыт повторили в США и Швейцарии.

В основе всех этих экспериментов лежал эффект квантовой запутанности, на который обратил внимание Эйнштейн еще в 1935 году.

 

Справка: Квантовая запутанность или сцепленность – это квантовомеханическое явление, при котором несколько объектов, например, две элементарные частицы, становятся взаимозависимыми. Всё, что происходит с одной частицей, тут же отражается на другой, как бы далеко они друг от друга не находились.

 

Мистическая связь частиц похожа на связь между близнецами. Но так, словно один является зеркальным отражением другого.

В нашем материальном мире, который подчиняется законам Ньютона, все объекты ведут себя как законопослушные граждане. Измерить их массу или размер, узнать, куда они движутся и в каком настроении, можно в любой момент. Причем получить все значения сразу. И эти измерения не будут зависеть от наблюдателя.

 

Квантовый мир живет по странным законам. Каждая из частиц может находиться в двух противоположных состояниях. Или даже в обоих сразу. При этом невозможно одновременно точно измерить ее положение и скорость классическими измерительными приборами. В момент наблюдения мы можем узнать либо координаты, либо импульс. Это называется «Принцип неопределенности».

 

Принцип неопределенности был сформулирован в 1927 году немецким физиком Вернером Гейзенбергом.

В том же 1927 году Нильс Бор и Вернер Гейзенберг во время совместной работы в Копенгагене дополнили принцип неопределенности принципом дополнительности и принципом соответствия. Эта новая  версия квантовой механики получила название «Копенгагенская интерпретация».

 

Справка: Принцип дополнительности утверждает, что описания квантового объекта как волны и как частицы дополняют друг друга. И невозможен эксперимент, в котором объект одновременно проявил и волновые и корпускулярные свойства.

Принцип соответствия позволяет использовать законы классической физики для описания поведения квантовых микрообъектов.

 

Альберту Эйнштейну принцип неопределенности Гейзенберга категорически не понравился. И он решительно не принял копенгагенскую интерпретацию.

Вот тогда-то – на Пятом Сольвеевском конгрессе – между Эйнштеном и Бором завязался тот самый знаменитый спор.

Эйнштейн заявил, что авторы и сторонники копенгагенской интерпретации делают из нужды добродетель. Все эти допущения, дополнения и неопределенности говорят только об одном: наше знание физической сущности процессов микромира неполно. Физики просто пока еще не обнаружили те постоянные, которые влияют на поведение квантовых частиц.

Эйнштейн был уверен, что копенгагенская интерпретация – это временный, незавершенный и неполный вариант квантовой механики.

Бор же, напротив, утверждал, что модель, которую они создали, в целом непротиворечива, состоятельная и на фундаментальном уровне завершена.

 

Конгресс закончился, но спорщики так и не пришли к согласию. Они продолжили дискуссию. Спорили при встречах, в письмах, в публикациях. В основном дискуссия велась в рамках академических приличий. Но иногда спор принимал ожесточенный характер. А порой и шутливый. Эйнштейн, например, однажды спросил у Бора: «Вы действительно считаете, что Луна существует, только когда вы на неё смотрите

 

В 1935 году Эйнштейн предпринял очередную попытку доказать неполноту квантовой механики с помощью одного мысленного эксперимента. Этот эксперимент в результате привел к открытию эффекта квантовой запутанности.

 

Легенды и мифы о телепортации

В начале семнадцатого века преподобная сестра Мария из монастыря Иисуса в испанском городке Агреда совершила более пятисот трансатлантических телепортаций в Америку. Об этих путешествиях она рассказывала своему исповеднику и матери-настоятельнице. Марии, естественно, никто не верил. Но в 1622 отец Алонсо де Бенавидеса из мексиканской миссии Исолита неожиданно обнаружил у индейцев племени Юма кресты, четки и потир из монастыря в Агреде. Индейцы рассказали, что все эти вещи им дала «женщина в голубом».

Разумного объяснения этой истории нет. Разве что предположить, что она была полностью сфальсифицирована. И дневники Марии, а также письма отца Алонсо папе Урбану VIII и королю Филиппу IV Испанскому, в которых он рассказал о «женщине в голубом», являются подделкой.

 

Германия, Берлин, 1935 год

15 мая 1935 года в американском научном журнале «Physical Review» – «Физическое Обозрение» — была опубликована статья Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена, которая называлась «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?»

 

В этой статье был описан мысленный эксперимент, который впоследствие получил название «парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена – ЭПР». Суть его заключалась в следующем: если две частицы какое-то время взаимодействуют друг с другом, то они сцепляются или запутываются и начинают вести себя, как одна частица. При этом они каким-то образом договариваются соблюдать нейтралитет: если спин (вращение) одной частицы направлен вверх, то спин второй — вниз.

Такая синхронность сохраняется даже в том случае, если частицы разлетаются на достаточно большое расстояние. Словно они связаны невидимой нитью.

Мало того! Как только с первой частицей что-то происходит и ее момент импульса (спин) меняется, вторая частица мгновенно узнает об этом по каким-то своим мистическим каналам и тоже перестраивается.

Таким образом, узнав импульс одной частицы, мы получаем точную информацию о второй. И для этого ее не нужно ловить, измерять или взвешивать.

 

Шуточное описание ЭПР-парадокса много лет спустя получило в научной литературе название «Носки Бертлмана». Эту аллегорию придумал ирландский физик Джон Белл, использовав в качестве примера доктора Рейнхолда Бертлмана — своего коллегу по Европейскому Центру ядерных исследований (ЦЕРНу).

Бертлман был очень рассеянным и часто приходил на работу в разных носках. Угадать какие именно носки наденет ученый, было невозможно. Но можно было предположить, что если на левой ноге носок розовый, то на правой носок будет любого другого цвета.

Точно также ведут себя фотоны в квантово-запутанной паре: если один «розовый», то второй «розовым» быть не может.

Доклад «Носки Бертлмана и природа реальности» Джон Белл впервые прочел в Париже 17 июня 1980 года на конференции в Коллеж де Франс, сопроводив выступление собственными рисунками.

 

«Мы словно бы пришли к отрицанию реальности носков Бертлмана, по крайней мере, реальности их цветов, когда на них не смотрят. Откуда второй носок знает, что творится с первым?»

Из статьи Белла «Носки Бертлмана и природа реальности»

 

Эйнштейн называл явление запутанности «жутким дальнодействием» и был уверен, что парадокс ЭПР является самым лучшим доказательством того, что квантовая теория неверна. Поскольку ничто не может переноситься с места на место быстрее скорости света.

 

Спор двух великих физиков продолжался вплоть до 1955 года, до смерти Эйнштейна. В эту дискуссию были вовлечены многие ученые. По сути, все физики тогда разделились на два лагеря: одни поддерживали копенгагенскую интерпретацию, другие выступали против. И каждое новое открытие в квантовой физике подтверждало то правоту Бора, то правоту Эйнштейна.

Но в 1964 году Джон Белл, анализируя ЭПР-парадокс, совершенно неожиданно пришел к выводу, что правы были оба! Он сформулировал теорему, при доказательстве которой побеждала точка зрения Эйнштейна, а при опровержении – Бора.

 

Доктор физико-математических наук Андрей Петрович Кузнецов: «Джоном Беллом было показано, что пара сцепленных частиц, ведет себя слишком скоррелировано, так что такое поведение не может  быть объясненно классической статистикой. Белл сформулировал, при каких экспериментах можно зарегистрировать различие между предсказаниями квантовой механики и теориями скрытых переменных, подчиняющимися причинности Эйнштейна».

 

Неравенства Белла предоставили теоретическую базу для физических экспериментов. Но осуществить их в то время не позволяла техническая база.

Только в 1972 году существование мистической связи между запутанными частицами было подтверждено экспериментальным путем.

 

Легенды и мифы о телепортации

12 августа 1915 года боевой отряд батальона Норфолского полка британской армии во время атаки турецких позиций в ходе Дарданелльской операции внезапно вошел в облако тумана и исчез. Когда туман рассеялся, не было обнаружено ни следов живых солдат, ни тел. 267 британцев исчезли вместе со своими командирами: полковником сэром Хорэйсом Бошем и капитаном Фрэнком Реджинальдом Беком.

По одной версии Норфолский батальон был телепортирован в другое измерение. По другой – солдаты переместились в прошлое или будущее. Но, скорей всего, они просто попали в плен к туркам и были убиты. Однако Турция до сих пор отрицает факт массовой расправы над британцами во время Первой мировой войны.

 

США, Беркли, 1972 год

Первые экспериментальные проверки теоремы Белла были выполнены в 1972 году двумя американскими физиками из Калифорнийского университета Стюартом Фридманом и Джоном Клаузером.

По итогам работы Фридман и Клаузер сформулировали так называемую теорему о нелокальности, доказав, что любое изменение объектов в квантовой системе влияет на ее общую эволюцию.

Однако главным в этих опытах было то, что ученым впервые удалось, что называется, вручную запутать фотоны и наблюдать их взаимодействие. Впоследствии выяснилось, что частицы света – самые удобные объекты для подобных экспериментов. Но о квантовой телепортации в то время еще никто из физиков не задумывался. Квантовую сцепленность рассматривали, скорее, как забавный парадокс, не имеющий практической пользы.

В 1981 году эксперименты американских физиков повторил и подтвердил французский физик Ален Аспе. Гипотетическое «жуткое дальнодействие» Эйнштейна превратилось в реальность.

Спустя восемь лет, в 1989 году, после многочисленных экспериментов с запутанными ЭПР-парами был наконец-то заложен базис для квантовой телепортации. Когда трем физикам – Даниэлу Гринбергу, Майклу Хорну и Антону Цайлингеру – удалось запутать три фотона.

 

Доктор физико-математических наук Андрей Петрович Кузнецов: «Схема передачи квантового состояния одного объекта на другой состоит в следующем: Допустим, что у отправителя есть частица А, находящаяся в произвольном квантовом состоянии, и он хочет передать это состояние получателю, то есть чтобы у получателя оказалась частица B в том же самом состоянии, что и частица А. Для достижения этой цели отправитель и получатель (традиционными персонажами обычно выступают Алиса и Боб (на доске надписи Alice Bob)) договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадет отправителю, а B — получателю. Когда отправитель совершает измерение над системой из двух частиц A и C, он получает одно из возможных значений измеряемой величины. Поскольку состояния частиц A и C становятся известны, то и частица B оказывается в некотором определённом квантовом состоянии. Именно в этот момент происходит как бы «передача» «квантовой части» информации. Однако получатель не знает, как именно состояние частицы B связано с состоянием частицы A. Для выяснения этого необходимо, чтобы Алиса сообщила Бобу по обычному классическому каналу результат своего измерения. И только после этого Боб сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.

Как это ни парадоксально звучит, квантовая механика не запрещает телепортацию объектов, но запрещает их клонирование».

 

Чтобы представить себе, как это работает, вспомним носки Бертлмана.

Сначала берем пару «розовый» и «нерозовый». Затем разносим их на расстояние. Мистическая связь между носками при этом сохраняется. «Нерозовый» правый помнит о своем левом розовом брате и отслеживает его состояние. Берем третий носок и надеваем на правую ногу. То есть, запутываем с розовым левым. Состояние розового левого немедленно изменяется. В тот же миг об этом узнает его правый брат и… становится розовым близнецом левого.

 

Весной 1997 года физикам впервые за всю историю удалось клонировать розовый носок Бертлмана, то есть, осуществить квантовую телепортацию, передав информацию о первой частице второй с помощью третьей.

Эксперимент осуществила группа австрийских физиков под руководством Антона Цайлингера. Правда, им удалось передать информацию всего лишь на метр. Но это было только начало!

 

Легенды и мифы о телепортации

28 октября 1943 года военно-морские силы США проводили в порту Филадельфии эксперимент с эсминцем «Элридж». Целью эксперимента было сделать эсминец невидимым для магнитных взрывателей и радаров. Для этого нужно было размагнитить весь корабль с помощью большой электромагнитной катушки из толстого медного провода, обмотанного вокруг корпуса. По свидетельствам очевидцев, едва катушку включили, корабль исчез и через мгновение появился в доках порта Норфолк в Вирджинии. Во время телепортации 27 членов экипажа буквально вплавились в металлическую обшивку корабля, еще 133 умерли от ожогов, облучения, поражения током и страха. Оставшиеся в живых матросы – 21 человек — сошли с ума.

Филадельфийский эксперимент считается одним из первых документально зафиксированных случаев телепортации. Но скептики уверяют, что в действительности корабль исчез только с радаров. И в Норфолк он приплыл сам. А если кто на борту «Элриджа» и сошел с ума, так это были механические часы и магнитные компасы.

 

Австрия, Вена, 2001 год

В 2001 году группе Антона Цайлингера удалось телепортировать состояние фотона на 10 километров. А три года спустя австрийские физики вместе с коллегами из американского Национального института стандартов и технологий телепортировали квантовые состояния ионов кальция и бериллия.

В 2006-ом ученые из Калифорнийского университета впервые осуществили телепортацию между объектами разной природы – светом и материей, переместив информацию из лазерного луча в скопление атомов цезия. Этой группой руководил наш бывший соотечественник Евгений Ползик.

Сегодня рекорд дальности квантовой телепортации составляет 143 километра. Он был установлен весной 2012 года международным коллективом физиков под руководством патриарха телепортации Антона Цайлингера. Физикам удалось телепортировать квантовое состояние фотона с острова Ла-Пальма на остров Тенерифе.

Но есть ли какая-то практическая польза от всех этих экспериментов? Или это всего лишь увлекательная игра для ученых?

 

Как сказал однажды физик Филипп Гранжье из Французского оптического института: «Кота таким образом телепортировать не удастся».

Тем не менее, у квантовой телепортации большое будущее. И связано оно вовсе не с перемещением пианино или квантованием кроликов, а с криптографией и с созданием защищенных каналов связи.

 

Доктор физико-математических наук Андрей Петрович Кузнецов: «Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами, в частности, при помощи фотонов в линиях волоконно-оптической связи. Несанкционированный перехват информации может рассматриваться, как изменение определённых параметров физических объектов — в нашем случае, фотонов.

Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределённость поведения квантовой системы. Попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в неё нарушения, разрушая исходные сигналы, а значит, по уровню ошибок в канале легитимные пользователи могут распознать степень активности перехватчика».

 

Первый протокол квантовой криптографии был предложен еще в 1984 году. Авторами этого фантастического по тем временам предложения были Чарльз Беннет из IBM и Жилль Брассар из Монреальского университета. В своей работе они рассмотрели возможность передачи секретного ключа с помощью квантовых объектов. Но первые практические результаты получили только в 89-ом. Тогда им удалось передать информацию со скоростью 10 бит в секунду на расстояние 30 сантиметров.

Методика, разработанная Беннетом и Брассаром, легла в основу всех дальнейших экспериментов по квантовой телепортации.

 

Бельгия, Брюссель, 1927 год

Темой Пятого Сольвеевского конгресса были «Электроны и фотоны», но неожиданно завязавшаяся между Эйнштейном и Бором дискуссия, увела всех участников конгресса в сторону от основной темы.

Однажды во время очередного ожесточенного спора, разгоревшегося вместо запланированного доклада, в зале внезапно повисла тишина. И тут все увидели, что кто-то нарисовал на доске Вавилонскую башню. И написал рядом: «…там смешал Господь язык всей земли, чтобы никто не понимал речи другого». В тот день все споры были прекращены. Но назавтра все повторилось. Иначе и быть не могло. Ведь это был не просто спор двух великих ученых, это было противостоянием двух школ, двух философий.

Но самым удивительным в этом споре двух крестных отцов квантовой физики было то, что революционер от науки и бунтарь по жизни Эйнштейн пытался спасти старую школу и отстаивал постулаты классической физики. А тихий, задумчивый, всегда очень спокойный и неторопливый Бор решительно отверг старые представления о реальности.

Кто же из них в результате оказался прав? Кто победил в споре?

Возможно, прав был Эйнштейн: Бог на самом деле не играет в кости со Вселенной. Но может быть, прав был Бор: и время от времени Бог все же кидает кости. Одно известно наверняка: телепортировать кроликов пока по силам только фокусникам.

 

Научный консультант — доктор физико-математических наук, доцент кафедры физики лазерного термоядерного синтеза МИФИ Андрей Петрович Кузнецов.