Одна из ярчайших выдумок научной фантастики — телепортация — оборачивается реальностью в современных лабораториях. Впрочем, она оказалась иной, чем мы ее себе представляли.
Слово «телепортация» неразрывно связано с сюжетами научной фантастики вроде транспортеров «Звездного пути», трансматов из «Доктора Кто», сумасшедших изобретателей из таких фильмов, как «Муха», или сети нуль-транспортировки в книгах Стругацких и Кира Булычёва. Эта идея кажется столь же невероятной, как и сверхсветовые путешествия и машина времени, но постепенно становится реальностью, правда в крошечных масштабах. И квантовые компьютеры, главная надежда на прорыв в вычислительных технологиях, опираются на нее в своей работе.
Теория, стоящая за телепортацией (более строго называемой квантовой телепортацией), появилась из давнего спора между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. Эйнштейн заложил основы квантовой теории и был большим ее энтузиастом, пока на сцену не вышла случайность. Его взгляды поменялись, когда новое поколение физиков, работающих в этой области, обнаружило, что квантовые частицы управляются вероятностными законами. Эйнштейн этого терпеть не мог и писал: «Теория дает много, но к таинствам Старика она не подводит нас ближе. Во всяком случае, я убежден, что Бог не играет в кости».
Последней и величайшей из атак на квантовую физику стала опубликованная в 1935 году статья «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», написанная Эйнштейном в соавторстве с Борисом Подольским и Натаном Розеном. Оттуда берет начало так называемый ЭПР-парадокс (по инициалам авторов). Из статьи следовало, что либо квантовая теория ошибочна, либо она делает возможными невероятные вещи. Речь шла о создании пары квантовых частиц в состоянии, известном как запутанность. Эти частицы могут быть разнесены на противоположные края Вселенной, но изменение, случившееся с одной из них, немедленно отразится на другой. Каким-то образом они могут мгновенно коммуницировать. Эйнштейн думал, что нашел трещину в броне квантовой теории. Но в действительности он обнаружил одну из самых замечательных способностей квантовых частиц. Более того, эксперименты неоднократно показали, что запутывание действительно существует.
Неспециалисту кажется, будто запутанность можно использовать для отправки мгновенных сообщений с одного конца Вселенной на другой, но это не так. Информация, которую запутанность способна передавать, является случайной и потому не поддается контролю.
ПЕРЕНОС МАКРОСКОПИЧЕСКИХ ТЕЛ
Чтобы успешно телепортировать объект, телепортационное устройство должно создать его точную копию вплоть до квантового состояния каждой частицы. Если этого не сделать, переданная версия будет дефектной. Например, телепортированный мистер Спок может обнаружить, что думает мысли д-ра Маккоя, или, что еще хуже, может превратиться в кучку пыли. Однако даже если мы сможем создать точную копию объекта, невозможно узнать точное состояние квантовых частиц без изменения их поведения. Это означает, что невозможно породить идеальную копию квантовой частицы, чтобы создать идентичных двойников. Это было доказано математически в 1980-х годах Уильямом Вутерсом (William Wootters) и Войцехом Зуреком (Wojciech Zurek).
И всё же остается одна лазейка. Можно передать состояние от одной частицы к другой при условии, что его характеристики нигде в пути не раскрываются. Механизм для этого обеспечивает как раз запутывание. Эта идея была представлена на симпозиуме в Монреале в 1993 году. Исследователь из компании IBM Чарлз Беннет (Charles Bennet) предположил, что пара запутанных частиц может обеспечить необходимый скрытый канал связи. Как отметил организатор мероприятия Жиль Брассар (Gilles Brassard), «после двух часов мозгового штурма ответом оказалась телепортация. Это возникло совершенно неожиданно».
Процесс квантовой телепортации требует использования трех частиц. Мы начинаем с запутанной пары частиц, одна из которых остается в передатчике, а другая отправляется к приемнику. Третья частица та, которая телепортируется. Ее заставляют провзаимодействовать с первой из запутанных частиц, получая мгновенно невидимые изменения связанного с ней партнера, находящегося на приемном конце. Затем передатчик выполняет измерение состояний двух своих частиц. Этот процесс определяет, скажем, спин или поляризацию частицы, и эта информация передается удаленной частице с помощью обычных средств связи. В результате далекая запутанная частица переходит в то состояние, в котором была исходная. Фактически получается, что частица передана из точки А в точку В.
Прошло всего четыре года, и Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) в Вене и Франческо де Мартини (Francesco de Martini) в Риме продемонстрировали частичную телепортацию, передав поляризацию от одного фотона к другому. К 2004 году Цайлингер сумел телепортировать поляризацию исходного фотона через реку Дунай, отправив запутанные фотоны по подземному оптоволоконному кабелю и передав обычную информацию с помощью микроволн к приемнику, находящемуся в 600 м на другом берегу.
Может показаться, что телепортация фотонов не представляет интереса, — в конце концов, нетрудно направить свет из одного места в другое, и он дойдет туда с высокой скоростью. Но этот же принцип можно применить и для квантовых частиц материи, а телепортация фотонов — это первый шаг в направлении квантового компьютера, который использует квантовые состояния частиц, известные как кубиты — квантовые эквиваленты битов обычного компьютера. «Квантовая телепортация — это единственный известный метод, которым можно надежно передавать квантовую информацию на большие расстояния», — поясняет д-р Роналд Хэнсон (Ronald Hanson) из Делфтского технического университета (Нидерланды).
Спустя десятилетие после дунайского эксперимента основные усилия направлены на то, чтобы сделать квантовую телепортацию устойчивой и воспроизводимой, а также распространить ее с фотонов на атомы. Без квантовой телепортации не может быть квантовых вычислений, за счет которых станут возможны операции вроде сложного поиска данных. На их выполнение у обычных компьютеров ушло бы время, превосходящее возраст Вселенной.
В 2009 году группа из Объединенного квантового института (JQI) при Мэрилендском университете и Мичиганского университета (США) научилась передавать квантовое состояние одного атома на другой, находящийся в метре от него, причем такая телепортация успешна в 90% случаев. В этом году мэрилендская работа получила развитие в Делфтском техническом университете, где телепортировали свойство, называемое спином, между электронами, находящимися на расстоянии 3 м друг от друга, со стопроцентной надежностью. Эти электроны были пойманы в алмазные ловушки. Чистый алмаз является идеальной решеткой (3D-структурой) атомов углерода, но при добавлении примеси азота в решетке возникают дефекты. Электрон, пойманный внутри такого дефекта, может действовать как кубит.
Это был еще один важный шаг на пути создания телепортационного канала связи для полноценного квантового компьютера. Д-р Хэнсон поясняет: «Наш эксперимент впервые продемонстрировал телепортацию между двумя твердотельными чипами. Поскольку мы считаем, что в перспективе узлы квантового интернета будут представлять собой небольшие квантовые компьютерные чипы, этот шаг очень важен».
В то же время другие исследователи увеличивают дальность передачи. Текущий рекорд составляет 143 км и принадлежит Цайлингеру. На 2016 год в рамках нового эксперимента по квантовой коммуникации запланирован запуск китайского спутника, который должен проверить возможность использования запутанности и телепортации между космосом и Землей.
К сожалению, эксперименты на больших расстояниях дают очень мало успешных исходов — всего лишь 1 из 1000. Это недопустимо в реальных компьютерных задачах, где требуется надежность. Тут лидирует дельфтский подход, как объясняет д-р Хэнсон: «Мы умеем, не разрушая запутанность, узнать, что ее удалось создать. Благодаря этому можно использовать запутанность в последующем эксперименте по телепортации так, что он срабатывает во всех случаях».
СЕКРЕТНАЯ СЛУЖБА
Американские военные разрабатывают квантовую систему связи для передачи секретных сообщений. В прототипе фотоны, переносящие информацию, взаимодействуют с парой запутанных фотонов, половина из которых отправляется к получателю. Любая попытка перехвата фотонов в пути будет обнаружена по нарушению хрупкой запутанности. Требуется лишь минимизировать потери частиц, движущихся в хаосе сражений.
Телепортация, по-видимому, скоро станет доступна для квантовых компьютеров. Но сможем ли мы когда-нибудь телепортировать крупные физические объекты? Крис Монро (Chris Monroe) из группы JQI и Мичиганского университета (США) отмечает, что даже передача одной крупной молекулы представляет серьезнейшую проблему. «Если вы интересуетесь телепортацией состояния молекулы ДНК, то у нее так много степеней свободы, так много возможных конфигураций, что трудно вообразить выполнение подобной задачи в сколько-нибудь обозримом будущем», — говорит он.
Для человека можно было бы физически переслать ингредиенты, но как телепортировать инструкции по сборке? «Когда капитана Кирка телепортируют с планеты на “Энтерпрайз”, ни один атом его тела не перемещается, — говорит Монро. — На приемной площадке транспортера уже присутствуют все атомы, из которых капитан должен образоваться. Единственное, что передается, — это точная конфигурация и квантовая информация, закодированная всеми его атомами. Я не знаю, как может выглядеть этот “субстрат” капитана Кирка, но не думаю, чтобы он был симпатичным».
В обозримом будущем мы не сможем телепортироваться, но, по крайней мере, квантовая телепортация значительно приблизит нас к появлению применимых на практике квантовых компьютеров.
(с) Брайан Клегг