Наука и практика телепортацииТелепортация и Левитация
В конце 20-го века тема телепортации перешла со страниц фантастических романов в сугубо научные издания. Реальность телепортации остаётся одной из самых спорных тем.
Многочисленные работы, так или иначе подтверждающие или опровергающие возможность телепортации, сменяются новыми, не менее спорными и эмоциональными.
Термином телепортация обозначаютявление мгновенного перемещения материального объекта в пространстве из одного места в другое без последовательного прохождения всех промежуточных положений. Телепортируемый объект как бы исчезает в одном месте и мгновенно появляется в другом. Телепортация - это идеальный способ передвижения, который заменит в будущем, как считают писатели-фантасты, традиционные транспортные средства. Хотя термин и появился только в XIX веке, само явление известно с древних времён. Носит оно спонтанный характер, регистрируется крайне редко, противоречит обыденному опыту и здравому смыслу и поэтому все связанные с ним старинные и современные истории воспринимаются как мистические и справедливо вызывают скептическое отношение - проверить их достоверность трудно, повторить невозможно. Истории о случаях телепортации можно было бы продолжать относить к области ненаучной фантастики, если бы не недавние успешные эксперименты физиков по квантовой телепортации, зародившие надежду на возможность нахождения научного объяснения данному явлению.
Успехи экспериментаторов подвигли не слишком консервативных и жаждущих признания молодых учёных на изыскания и, в результате, в последние годы появилось несколько теорий, претендующих на объяснение механизма телепортации. Хотя называть их теориями пока всё-таки преждевременно, лучше подходит сочетание научно-фантастические гипотезы или идеи. Тем не менее, это идеи, основанные на простой линейной экстраполяции установленных научных представлений. Этим я хочу отделить их от идей сугубо ненаучного характера, апеллирующих к мистическим представлениям о существовании духов, ангелов, пришельцев и т.п., которые не рассматриваются в данном обзоре. Собственно, есть две группы теорий: теории реально существующей так называемой квантовой телепортации, относящейся к передаче информации, и пока ещё гипотетические теории квантовой "нуль-транспортировки" материальных объектов.
Квантовая телепортацияЯвление квантовой телепортации проявляется в существовании мгновенного независящего от расстояния взаимодействия между частицами микромира, входящими в единую квантовую систему. Система квантово связанных частиц образуется всякий раз, когда частицы вступают во взаимодействие друг с другом или рождаются в одном процессе и после этого не вступают во взаимодействие с другими частицами. Как только одна из частиц квантово связанной пары вступает во взаимодействие с внешним миром, её квантовые характеристики изменяются, и в тот же самый миг изменяются характеристики второй частицы пары, после чего квантовая корреляция частиц исчезает. Обмен информацией о состояниях между связанными частицами происходит без каких-либо полей, мгновенно и не зависит от расстояния. Такая связь кажется на первый взгляд мистической, но на языке физиков она достаточно тривиальна - просто взаимодействующие частицы имеют общую так называемую пси-функцию. Квантовая физика описывает состояние частиц этой самой пси-функцией (по-другому - волновой функцией), которая, хотя и похожа на некоторое поле, поскольку имеет распределение в пространстве, но в действительности не является таковым, скорее это чисто математический объект и поэтому может изменяться мгновенно и во всём пространстве без нарушений законов физического мира. Это одна из тех странностей квантовой физики, которая противоречит здравому смыслу, но очень хорошо согласуется со всеми экспериментами в области микромира. Пси-функция любой системы микрочастиц создаётся и разрушается (коллапсирует, схлопывается во всём пространстве сразу) при каждом новом взаимодействии.
На странную возможность существования нефизической связи между удалёнными частицами первым обратил внимание А. Эйнштейн. Он не поверил в реальность такой связи и интерпретировал это как доказательс тво ошибочности квантовой теории. Совместно с другими физиками - Б. Подольским и Н. Розеном - он опубликовал в 1935 году статью о парадоксе квантовой механики, который теперь известен как парадокс ЭПР. Через 30 лет физик-теоретик Бэлл предложил схему эксперимента по разрешению парадокса, который в 1965 году был произведён и доказал справедливость квантовой теории и ошибочность вывода Эйнштейна, но только ещё почти 30 лет спустя физики начали думать над практическим использованием этого странного явления и ставить соответствующие эксперименты. Первую принципиальную схему эксперимента по реализации такого взаимодействия предложила в 1993 году группа специалистов исследовательского центра IBM, возглавляемого Ч. Беннетом. Тогда же ими был введён и термин "квантовая телепортация". Беннет показал, что полную информацию, необходимую для того, чтобы восстановить состояние объекта, можно разделить на две части - квантовую и классическую. Первую можно передать мгновенно, что и подтверждено экспериментально, но нельзя использовать без второй, передаваемой обычными методами - со скоростью, не превышающей скорость света.
В декабре 1997 года ведущий мировой научный журнал "Nature" опубликовал информацию о том, что двум группам физиков из Австрии и Италии, независимо друг от друга (и по разным методикам), удалось экспериментально подтвердить существование явления квантовой телепортации. Группа австрийских физиков под руководством А. Цайлингера наблюдала телепортацию квантового состояния на примере фотонов света. Позже появились сообщения об эксперименте по телепортации фотонов в Италии. Результаты ещё одного эксперимента, показывающие наличие связи между состояниями фотонов на гигантских (в масштабах микромира) расстояниях - более 10 км - опубликованы швейцарскими учёными летом 2001 этого года в журнале "Physical Review А". Эффект квантовой телепортации сейчас в центре внимания физиков, он регулярно затрагивается в специальных журналах - "Nature", "Scientific American". Телепортация была включена в темы докладов на прошедшей в Москве XVI международной конференции "Когерентная и нелинейная оптика".
Следует отметить, что термин "телепортация" применительно к описанным экспериментам не совсем правилен. По существу, речь идёт о мгновенной передаче информации о состоянии частиц без посредства материального носителя. При этом никакой материальный объект, естественно, не переносится мгновенно. Вместе с тем, в квантовом мире устроено так, что если две частицы обладают одинаковыми свойствами, то это действительно абсолютно тождественные частицы и если параметры одной частицы были переданы другой, то она становится точной копией первой, именно такой, какая получилась бы при "настоящей" телепортации. Если чисто гипотетически на основе явления квантовой телепортации нужно было бы осуществлять телепортацию макрообъектов, то выглядело бы это следующим образом: в месте "нуль-передачи" сканируются характеристики всех микрочастиц объекта, информация передаётся в пункт "нуль-приёмника", передаваемый объект разрушается (становится грудой атомов), а принятый объект становится точной копией исходного объекта. Достаточное количество атомов, естественно, должно быть приготовлено заранее в пункте приёма. Эта схема очень хорошо описана в романе писателя-фантаста Клиффорда Саймака "Пересадочная станция".
Опыты, проведённые учёными Орхусского Университета (Дания) в конце сенсентября 2001 года, доказали практическую возможность такой телепортации. Экспериментаторы добились квантовой связи между двумя облаками охлаждённых почти до абсолютного нуля паров цезия, расположенными на значительном расстоянии друг от друга. Датчанам удалось связать около миллиона атомов цезия, правда, на очень короткое время, на доли миллисекунды. Связь должна приводить к взаимному влиянию облаков пара. По версии экспериментаторов, воздействие на оригинал влечёт аналогичное изменение параметров копии. Исследователи планируют изучение свойств полученного канала с целью реализации в будущем возможности передачи копий структур из атомов. Даже при самых успешных разработках именно этого вида телепортации, "переносить" человека таким способом не получится - он содержит на 20 порядков больше атомов, и методов считывания структуры такой сложности пока не существует даже в принципе.
Летом 2002 года появилось сообщение от физиков из Австралии: им удалось телепортировать луч лазера на расстояние 1 м. Выглядело это как исчезновение луча в одной точке и появление его в другой.
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 передавать информацию без потерь, со 100-% эффективностью. Именно перспектива создания принципиально новых систем связи с абсолютной невозможностью несанкционированного доступа к данным 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.
Возможно, что квантовая телепортация сможет найти применение и в радиолокационных системах субмиллиметрового диапазона, в котором уже заметна квантовая природа электромагнитного излучения. Если излучить пару квантово связанных фотонов, то сумма их поляризаций будет задаваться передатчиком. Фотон пары, первым провзаимодействовавший с веществом (поглотившись, например), изменит поляризацию второго кванта благодаря квантовой связи и, если зафиксировать это изменение (например, с помощью второй пары квантово коррелированных и когерентных лучей), можно узнать о состоянии первого фотона. Дальше можно использовать известные радиолокационные методы: доля поглощённых фотонов зависит от свойств рассматриваемого объекта, луч можно сканировать и поточечно формировать радиоизображение. При этом один из квантово коррелированных лучей должен всегда быть направлен на приёмник. В такой системе не требуется обеспечивать прямую видимость объекта из центра приёма, не нужно обнаруживать слабый отраженный сигнал (отражение вообще не используется) и, по-видимому, будет трудно создать помехи такой системе. Разумеется, описанная система радиолокации является чисто гипотетической, поскольку проблема регистрации изменений поляризации фотонов пока ещё не решена.
Рисунок 1. Схема эксперимента по квантовой телепортации в лаборатории Инсбрука. 1 - детекторы; 2 - линейная поляризация; 3 - неполяризованный свет; 4 - кристалл; 5 - ультрафиолет