Квантовая телепортация

В конечном итоге может быть найдено практическое применение, на
первый взгляд, бессмысленному обсуждению физиками параллель-
ных квантовых вселенных: квантовая телепортация. «Транспортер»,
использовавшийся для перевозки людей и оборудования в «Стар
Треке» и других научно-фантастических программах, кажется чудес-
ным средством, позволяющим преодолеть огромные расстояния. Но
как ни маняще звучит эта идея телепортации, физиков она приводит
в замешательство, поскольку, кажется, противоречит принципу не-

определенности. Проводя измерение атома, вы нарушаете его состо-
яние, а потому точная копия создана быть не может.

Но ученые обнаружили брешь в этом аргументе в 1993 году с
помощью так называемой квантовой сцепленности. Она основана
на старом эксперименте, предложенном в 1935 году Эйнштейном
и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном (так на-
зываемый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, или
ЭПР-парадокс) для того, чтобы продемонстрировать, насколько в
действительности безумна квантовая теория. Допустим, произошел
взрыв и два электрона разлетаются в противоположных направлени-
ях с околосветовой скоростью. Поскольку электрон может крутиться
как волчок, допустим, что их спины связаны — то есть если ось спина
одного электрона направлена вверх, то ось спина второго направлена
вниз (таким образом, что общий спин равен нулю). Однако до того,
как мы совершаем измерение, мы еще не знаем, в каком направлении
вертится каждый электрон.

Теперь подождем несколько лет. К этому времени два электрона
будут находиться на расстоянии многих световых лет друг от друга.
Если теперь мы измерим спин одного электрона и обнаружим, что
его ось направлена вверх, мы тут же поймем, что ось спина второ-
го направлена вниз (и наоборот). В сущности, тот факт, что один
электрон вращается вверх, заставляет второй электрон вращаться
вниз. Это означает, что теперь мы узнаем нечто об электроне, на-
ходящемся на расстоянии многих световых лет, мгновенно. (Полное
впечатление, что информация путешествовала со скоростью, превы-
шающей скорость света, а это явное нарушение специальной теории
относительности Эйнштейна.) При помощи тщательно построен-
ного доказательства Эйнштейну удалось показать, что, совершая
последовательные измерения одной пары электронов, можно нару-
шить принцип неопределенности. Что более важно, он показал, что
квантовая механика еще более причудлива, чем кто-либо мог до этого
себе представить.

Вплоть до того самого момента физики считали, что Вселенная
была локальной, что возмущения в одной части Вселенной рас-
пространялись от источника лишь локально. Эйнштейн показал,
что квантовая механика по своей сути нелокальна — возмущения
из одного источника могут мгновенно влиять на далекие уголки

Вселенной. Эйнштейн назвал это «призрачным действием на рас-
стоянии», которое посчитал абсурдным. Таким образом, Эйнштейн
уверял, что квантовая теория неверна.

(Критики квантовой механики считали, что парадокс Эйнштей-
на — Подольского — Розена разрешим при таком допущении:
если бы наши инструменты были достаточно чувствительны, то они
действительно смогли бы определить, в каком направлении враща-
ются электроны. Значит, кажущаяся неопределенность в спине и
положении электрона — просто фикция, результат того, что наши
инструменты слишком грубы. Они ввели концепцию скрытых пере-
менных, — то есть должна существовать скрытая субквантовая тео-
рия, в которой неопределенности не существует вообще, и в основе
этой теории лежат новые, так называемые скрытые переменные.)

Ставки неимоверно возросли в 1964 году, когда физик Джон Белл
подверг ЭПР-парадокс и скрытые переменные суровому испыта-
нию. Он показал, что при проведении эксперимента ЭПР должно
существовать численное соответствие между спинами двух электро-
нов, зависящее от того, какая теория использовалась. Если теория
скрытых переменных была верна, то спины должны были иметь одно
соотношение. Если была правильна квантовая механика, то соотно-
шение спинов должно было быть иным. Иными словами, судьба всей
квантовой механики (основы всей современной атомной физики)
зависела бы от одного-единственного эксперимента.

Но эксперименты окончательно доказали, что Эйнштейн оши-
бался. В начале 1980-х годов Алан Эспект и его коллеги во Франции
поставили эксперимент ЭПР. В эксперименте использовались два
детектора, расположенные на расстоянии 13 метров, которые из-
меряли спины фотонов, испускаемых атомами кальция. В 1997 году
эксперимент ЭПР был поставлен с детекторами, расположенными на
расстоянии в 11 километров. В обоих случаях победила квантовая те-
ория. Определенная форма знания действительно перемещается бы-
стрее света. (Хотя Эйнштейн ошибался насчет эксперимента ЭПР,
он был прав в вопросе более существенного масштаба — о сообще-
нии, проходящем быстрее света. Хоть эксперимент ЭПР и позволяет
узнать что-либо о другой стороне галактики, о*н не позволяет таким
способом посылать сообщения. К примеру, вы не можете таким об-
разом отсылать азбуку Морзе. В сущности, «передатчик ЭПР» отсы-

лал бы только беспорядочные сигналы, поскольку измеряемые спины
будут другими каждый раз, как вы их измеряете. Эксперимент ЭПР
позволяет вам получить информацию о другой стороне галактики,
но он не позволяет вам передавать полезную, не беспорядочную
информацию.)

Белл для описания этого эффекта приводил пример математика
по имени Бертельсман. У того была необычная привычка каждый
день надевать на одну ногу синий носок, а на другую — зеленый, в
случайном порядке. Если вы замечаете, что на левой ноге у него синий
носок, то вы сразу же, быстрее света, получаете информацию о том,
что другой его носок — зеленый. Но это знание отнюдь не позволяет
вам таким же образом сообщать информацию. Обнаружение инфор-
мации отличается от ее пересылки. Эксперимент ЭПР не означает,
что мы можем сообщать информацию путем телепатии, путешествий
быстрее света или путешествий во времени. Но он все же означает,
что для нас невозможно полностью отрешиться от единства вселен-
ной.

Эксперимент заставляет нас принять другую картину нашей
Вселенной. Существует космическое «сцепление» (entanglement)
между каждым атомом нашего тела и атомами, которые находятся на
расстоянии световых лет от нас. Поскольку все вещество произошло
из одного источника — Большого Взрыва, — то в каком-то смысле
все атомы нашего тела связаны с атомами на другом конце Вселенной
при помощи космической квантовой паутины. Сцепленные частицы
чем-то похожи на близнецов, все еще связанных между собой пупо-
виной (волновой функцией), которая может быть длиной во много
световых лет. Происходящее с одним близнецом автоматически воз-
действует и на другого, а отсюда знание об одной частице может неза-
медлительно предоставить информацию о ее двойнике. Сцепленные
частицы ведут себя так, как если бы они представляли собой единый
объект, хотя они и могут быть разделены неимоверными расстоя-
ниями. (Если выразиться точнее, то можно сказать, что, поскольку
волновые функции частиц в Большом Взрыве были когда-то связаны
и когерентны, то эти волновые функции все еще могут быть частично
соединены миллиарды лет спустя после Большого Взрыва таким об-
разом, что возмущения в одной части волновой функции могут воз-
действовать на другую часть той же волновой функции.)

В 1993 году ученые предложили использовать концепцию ЭПР-
сцепленности для создания устройства, с помощью которого можно
совершать квантовую телепортацию. В 1997 и 1998 годах ученые
из Калифорнийского технологического института, Университета
Аарус в Дании и Университета Уэльса совершили первую экспери-
ментальную демонстрацию квантовой телепортации. В ходе экспе-
римента отдельный фотон был телепортирован через стол. Сэмюэл
Браунштайн, принимавший участие в организации эксперимента,
сравнил сцепленные пары слюбовниками, «которые знают друг дру-
га настолько хорошо, что могут ответить за свою вторую половину,
даже если их разделяют огромные расстояния».

(Для экспериментов в области квантовой телепортации необхо-
димы три объекта — А, В и С. Пусть В и С — сцепленные близне-
цы. Хоть они и могут находиться на огромном расстоянии друг от
друга, они все же остаются сцепленными. Пусть теперь В вступит в
контакт с А, который собственно является объектом телепортации.
В «сканирует» А, и информация, содержащаяся в А, переносится в В.
Затем эта информация автоматически передается близнецу С. Таким
образом, С превращается в точную копию А.)

В области исследований квантовой телепортации наблюдается
большой прогресс. В 2003 году ученым Женевского университета
в Швейцарии удалось телепортировать фотоны на расстояние в
2 км через оптоволоконный кабель. Фотоны света (при длине волны
1, 3 мм) в одной лаборатории были телепортированы в другие фото-
ны с другой длиной волны (1, 55 мм) в другую лабораторию, связан-
ную с первой оптоволоконным кабелем. Николас Гизин, физик,
принимавший участие в этом проекте, сказал: «Возможно, объекты
больших размеров, такие, как молекула, и будут телепортированы
до моей смерти, но по-настоящему большие объекты не поддаются
телепортации при использовании обозримых технологий».

Еще один важный прорыв был совершен в 2004 году, когда уче-
ные из Национального института стандартов и технологий (NIST)
телепортировали не просто квант света, а целый атом. Их основным
достижением стало то, что они успешно запутали 3 атома бериллия и
смогли перенести характеристики одного атома в другой.

Область практического применения квантовой телепортации по-
тенциально невероятно велика. Однако необходимо отметить, что

существует несколько проблем практического характера, препят-
ствующих ее применению. Во-первых, объект-оригинал уничтожает-
ся в ходе телепортации, а потому нельзя создать много точных копий
телепортируемого объекта. Возможно создание только одной копии.
Во-вторых, телепортировать объект быстрее света нельзя. Теория
относительности действует даже для квантовой телепортации.
(Чтобы телепортировать объект А в объект С, для их соединения все
же необходим объект-посредник В, а его скорость меньше скорости
света.) В-третьих, возможно, наиболее важным ограничением для
квантовой телепортации выступает тот же фактор, который служит
препятствием для создания квантовых компьютеров: рассматрива-
емые объекты должны быть когерентны. Любое соприкосновение
с окружающей средой прервет процесс телепортации. Но вполне
вероятно, что в течение XXI века удастся телепортировать первый
вирус.

При телепортации человеческого существа мы можем столк-
нуться с другими проблемами. Браунштайн замечает: «На данный
момент ключевым является исключительно количество вовлеченной
информации. Даже если мы будем использовать самые лучшие кана-
лы связи, какие только можем себе представить, для передачи всей
этой информации нам понадобится время, сравнимое с возрастом
нашей Вселенной».