В рамках цикла «Публичные лекции "Полит.ру"» прошла лекция научного директора Датского центра квантовой оптики QUANTOP, профессора Института Нильса Бора, академика Королевской академии наук Дании, физика Юджина Ползика «Телепортация, или Что можно, а чего нельзя в квантовом мире». Slon публикует сокращенную версию этой лекции.
Как развивалась физика со времен Птолемея? Нам казалось, что это развитие будет постоянным, а потом мы наконец все узнаем и успокоимся. Одновременно стало приходить понимание, что невозможно узнать все. Окончательно это выяснилось 80–90 лет назад, когда Вернер Гейзенберг и другие ученые вывели законы квантовой механики, согласно которым получалось, что в принципе измерить все то, что происходит вокруг нас, невозможно. Причем невозможно не из-за неточности приборов и методов, а невозможно априори – при той картине мира, что есть у нас сейчас.
Если не получается предсказать положение каждой частицы – значит, невозможно предсказать будущее
Возьмем электрон в атоме – его позицию и скорость невозможно измерить одновременно. Произведение точности, с которой мы можем знать координату электрона, на точность, с которой мы можем знать его скорость, – это вещь, ограниченная снизу, то есть больше, чем «что-то». Под «чем-то» я понимаю Постоянную Планку, очень маленькую величину. Тем не менее она конечна, и в этой конечности и заключается одно из оснований квантовой механики. Получается, если мы знаем, где частица находится, то мы совсем не знаем, какая у нее скорость, и наоборот. Какое отношение это имеет к телепортации, мы поймем позже.
Если я хочу, скажем, телепортировать вас куда-то, то один из способов – это взять и измерить вас досконально, измерить позиции всех электронов. Однако из объяснения выше мы видим, что даже выяснение положения одного электрона представляется трудным, поэтому телепортация – вовсе не простой трюк. Представим частицу, локализованную до размера в один микрон. Пусть она весит один миллиграмм. Для частицы такого размера квантовая неопределенность не так и важна. Однако возьмем одиночный атом – у него неопределенность скорости будет уже миллиметр в секунду, то есть через секунду его местоположение установить будет тяжело. Мораль в том, что мы наблюдаем квантовые эффекты с маленькими предметами куда легче, однако с большими предметами мы также можем получить некие наблюдения, если посмотрим тщательно. Сегодня физика и техника питают друг друга, и точности измерения, которые казались немыслимыми не так давно, сегодня уже вполне мыслимы. Может быть, поэтому квантовая телепортация и возникла не сто, а пятнадцать лет назад.
Из классической физики следовало, что электрон, вращающийся вокруг ядра, – ситуация нестабильная. Но Бор постановил, что есть так называемые квантовые орбиты. После этого создатели настоящей механики поняли, что такого понятия, как орбита, нет, а есть облако вероятности. Если невозможно в точности определить все параметры даже одного атома, значит, невозможно записать их в качестве классической информации. Квантовые состояния нельзя передать в качестве потока классической информации. Отсюда следует, что передача всех деталей объекта, будь это атом, человек, бактерия, невозможна – получится лишь приблизительно. Если не получается предсказать положение каждой частицы, значит, невозможно предсказать будущее.
Теперь вспомним овечку Долли. Взяли овечку и ее ДНК (которую, кстати, вполне можно записать в виде последовательности нулей и единиц) – кажется, что вопрос клонирования не такой уж хитрый. Но клонирование на квантовом уровне невозможно. Причина та же – мы не можем определить положение и координату каждой квантовой частицы. Если я хочу сделать квантовую копию, я обязан уничтожить оригинал.
Облака вероятности могут иметь абсолютно любой размер
В 1935 году квантовая механика была практически закончена. Но тут появляется статья, в которой Эйнштейн, Розен и Подольский задаются вопросом, может ли квантовая механика быть признана полноценной теорией?
Возьмем две частицы – пусть это будут два осколка разорвавшейся гранаты. Пусть у них одинаковые массы. Мы можем рассчитать их расстояния и скорости. Но в квантовой механике нельзя одновременно определить положение и скорость. Если же вы примените квантовую механику к относительному расстоянию между ними и сумме их скоростей, то эти две величины квантовая механика позволяет измерить. Представим, что они разлетелись: вы сидите на альфа Центавра, а я здесь. Вы получаете одну частицу, а я – другую. Если я измерю координату этой частицы, то я точно буду знать координату вашей частицы. То же и с импульсом, то есть со скоростью. На языке квантовой механики это означает, что я могу выбрать то, что произойдет на альфа Центавра.
Эйнштейн не мог допустить этого, ведь он получил Нобелевскую премию за то, что доказал, что ничего не распространяется быстрее скорости света. Тогда он назвал это невероятным воздействием на расстоянии. Позже выяснилось, что теория относительности не нарушается – это лишь обозначает, что облака вероятности могут иметь абсолютно любой размер. Это первый пример перепутанных состояний двух частиц, то есть состояний, которые скоррелированы лучше, чем стандартные состояния в квантовой механике.
Вообще перепутанные состояния моногамны (то есть, если два объекта перепутаны довольно сильно, то ни один из этих объектов не может быть перепутан с еще одним). Как создать перепутанное состояние самостоятельно? Нужно взять кристалл и лазер и посветить лазером тщательно подобранного синего цвета в этот кристалл. Таким образом в кристалле произойдет преобразование одного синего фотона в два красных. Это разрешается законами сохранения энергии (синий цвет является более мощным, чем красный, – следовательно энергия одного синего фотона равна энергии двух красных). Эти два красных фотона, вылетевших оттуда, будут перепутанными. Их можно развести. Сейчас на Канарских островах проводятся эксперименты: один из фотонов посылается с одного острова на другой на расстояние 120 км. Преимущества Канарских островов в том, что там имеются две горы в прямой видимости и чистый воздух. А перепутанные состояния терять нельзя – если фотон проходит через атмосферу, его свойства меняются и начинаются неприятности.
В чем же проблема с телепортацией?
У частиц в атомах есть еще и магнитные моменты. Чтобы описать атом, помимо положения и скорости электронов, нужно знать и направление этих «магнитиков». Они являются примером так называемого кубита (квантового бита информации). Он может быть одновременно и в нуле, и в единице – если я сделаю квантовый компьютер, там будут ячейки, находящиеся одновременно в нуле и единице. Это пример квантового параллелизма. Допустим, что у меня есть два независимых друг от друга кубита. Представим их в виде монеток – каждый из них может дать мне и решку, и орла. Если состояния двух этих битов перепутанные, то они будут оба орлами или оба решками. При этом они могут не видеть друг друга. Это можно успешно использовать для кодировок.
В чем же проблема с телепортацией? Трудно превратить материю в свет, который будет перемещаться. Вместо нее нужно посылать информацию. Я не могу записать координаты квантового объекта в виде последовательности нулей и единиц и послать с помощью радиоволн. В этом трудность телепортации – инструкции послать нельзя. Тут приходят на помощь те самые перепутанные состояния. Лев Вайдман придумал такой принцип. Есть две частицы – каждая из них описывается положением и скоростью. Мы создали их в перепутанных состояниях – их расстояния и сумма скоростей известны. Теперь берем меня, я обладаю неким положением и скоростью. Одну из частиц я оставляю на Земле, вместе со мной, другую помещаю на альфу Центавра. На Земле мы производим измерение расстояний между моей частицей и одной из перепутанных и суммы их скоростей. При этом их координаты будут сильно изменены – теперь положение и скорость оригинала неизвестны. Чтобы что-то сообщить на альфу Центавра, мне нужно послать радиосигнал, и ничего не произойдет быстрее скорости света. Таким образом, мы должны взять некие частицы, организовать перепутанные состояния, произвести измерения, в результате которых мы получим информацию, которую можно послать с помощью радиоволн.
Мы ставили следующий эксперимент: телепортировали магнитные состояния атомов из одного ящика в другой. Мы приложили магнитное поле, послали импульс света. Он перепутался с атомами, потом провзаимодействовал со спиновым облаком, которое мы хотели телепортировать. В результате мы получили два числа, то есть информацию, которую мы и телепортировали в дальнейшем.
Все вокруг нас является квантовым
Хочу отметить, что все измерения расстояний нужно проводить каждый раз тщательно. Если я хочу сделать две копии одного и того же объекта, то я могу точно вычислить, какого качества эти копии будут – чем больше копий, тем хуже качество каждой.
Размеры предметов или систем, в которых квантовые эффекты важны, со временем растут. Если раньше квантовые эффекты наблюдали на уровне одних частиц, сейчас мы имеем дело с макроскопическими объектами, которые могут существовать в суперпозиционных и перепутанных состояниях. Из этого следует, что возникла новая наука, называемая наукой о квантовой информации, которая говорит о том, что вся информация – физическая, так как она всегда записана на физических объектах. Сейчас размер ячейки в моем компьютере (ему около четырех лет) – 40 или 60 нанометров, в сегодняшних моделях это уже 20 нанометров. Все это падает по закону Мура (каждые полтора года размер элементарной ячейки компьютера уменьшается в два раза) и через 10–15 лет он будет равен размеру нескольких атомов. Квантовая информация обещает нам квантовые компьютеры, которые будут работать бесконечно быстрее, коммуникации с абсолютной секретностью и телепортацию.
Одно из моих утверждений заключается в том, что все вокруг нас является квантовым. Нужно лишь смотреть аккуратно и быстро. Почему быстро? Предположим, что электрон в моей рубашке перепутан с соседним электроном. При этом на меня светит свет, по мне текут разные потоки, и эти перепутанные состояния не проживут и доли секунды. Поэтому одна из главных проблем квантовой информатики состоит в том, чтобы сконструировать системы, которые настолько хорошо изолированы от всех остальных, что делают возможным проведение с ними подобных экспериментов в области квантовой инженерии, и иметь на это какое-то время. Сегодня для физиков не проблема производить измерения за наносекунды. Сейчас изучаются возможности перепутанных состояний в мозгу птиц – возможно, птицы используют их для навигации по магнитному полю. Следы перепутанных состояний стали искать и в явлении фотосинтеза.
Источник: slon.ru
