Телепортация по науке

Если недавно о квантовой телепортации было известно только в кругах ученых, то сегодня это направление науки вызывает все больший интерес и у обычных людей. Не удивительно! Исследователи пророчат появление квантового интернета, который превзойдёт любые традиционные типы сетей, обещают обеспечить абсолютную защищенность данных и создать беспрецедентный квантовый канал, который свяжет МКС и поверхность Земли. Более того, звучат смелые предположения, что квантовая телепортация человека тоже осуществима.

Телепортация, то есть мгновенное перемещение материи на расстоянии, — давняя мечта человечества. Хотя сам термин появился относительно недавно (введён в 1931 г. американским писателем Чарльзом Фортом), идея телепортации существует с древнейших времён. Многие века люди стремились освоить искусство мгновенного перемещения в пространстве. Их искания нашли отражение в легендах и сказаниях. К примеру, в известной арабской сказке «Аладдин и волшебная лампа» джинн умел не только телепортироваться из Персии (Ирана) в Ифракию (Африку), но и переносить с собой дворец со всем его содержимым.

С точки зрения современной физики идея телепортации в таком виде совершенно нелепа, так как теория относительности не допускает скорости выше световой. Для достижения бесконечно высокой скорости потребовалось бы гигантское количество энергии, а перегрузки, возникшие при ускорении, убили бы джинна и превратили бы дворец в порошок. 

Но вот если говорить о переносе не самой материи, а содержащейся в ней информации, то телепортация, действительно, возможна. Приведем простой пример. Допустим, у вас и у вашего знакомого, скажем, в Украине есть по одинаковой флэшке. Если он пришлет вам файлы со своей флэшки, а вы запишете их на свою, то у вас в руках будет точная копия его флэшки. Хотя материя при этом никуда не будет переноситься, но с практической точки зрения такая пересылка станет равносильной телепортации.

«Однако копия не является совсем точной, — комментирует профессор университета Калгари (Канада), член научного комитета Российского квантового центра Александр Львовский. — Если разобрать обе флэшки и посмотреть на них под электронным микроскопом, то мы немедленно заметим разницу в микроскопическом строении отдельных ячеек памяти. Точная передача всей информации, содержащейся в материи на микроскопическом уровне — то есть квантового состояния материи – это гораздо более сложная задача. Её и решает квантовая телепортация».

«Бытовое» опреде­­­ление характеризует телепортацию как мгновенную транспортировку кого — (чего) либо в пространстве посредством  передовых технологий (The Oxford English Dictionary, 2nd edition (Clarendon Press, Oxford, 1989), vol.XVII, p.730).  В чем же различие «обычной» телепортации и квантовой?

В отличие от феномена, популярного в научной фантастике, в эффекте квантовой телепортации речь идет не о переносе квантового объекта как такового из одной пространственной точки в другую, а о более тонком процессе  — переносе свойств (состояния) этого объекта. И хотя в этом случае физического перемещения не происходит, в итоге все же получается «дубликат» со всеми свойствами начальной частицы – поэтому процесс вполне логично получил название телепортации.

Впервые такое определение было предложено в статье, опубликованной в 1993 году в журнале «Physical Review Letters». Тогда несколькими учеными из разных стран мира было продемонстрировано, как можно передавать квантовую информацию из одной точки в другую, не пересекая при этом промежуточное пространство. Данную технику исследователи и назвали телепортацией. Для пересылки информации ученые использовали свойство квантовой запутанности (сцепленности): это когда две частицы словно живут одной жизнью и связь между ними так тесна, что даже если только измерить одну из них, тут же меняется квантовая информация, записанная во второй частице, пусть даже они находятся на огромном расстоянии друг от друга.

Квантовая сцепленность объясняет самые различные природные процессы, например, фотосинтез в растениях, при котором энергия солнечного света мгновенно передается от «принимающих» молекул к молекулам, ответственным за электрохимические преобразования.

Первые успешные эксперименты по телепортации поляризационного состояния частицы  света – фотона – были проведены в 1997 году физиками из австрийского Университета Инсбрука и Университета Рима. Эти пионерские работы отличались, однако, рядом недостатков. Расстояние, на которое осуществлялась телепортация, составляло лишь около одного метра, а вероятность успешной передачи была исчезающе мала. И учёные со всего мира включились в гонку по улучшению этой технологии.

Уже в 1998 году группа ученых из Калифорнийского технологического института (одним из членов которой был наш бывший соотечественник Евгений Ползик) осуществила первый в истории эксперимент по телепортации произвольных (не только однофотонных) квантовых состояний света.

Серьезное значение на развитие направления оказала статья Я.Х. Ши с коллегами «Quantum Teleportation with a Complete Bell State Measurement», опубликованная в 2001 году. В ней была продемонстрирована принципиальная возможность полной телепортации поляризационного состояния фотонов, хоть и с очень малой вероятностью.

В 2001 году австрийским учёным удалось телепортировать состояние фотона уже на десятикилометровое расстояние. А в 2004 году учёные Университета Инсбрука и американского Национального института стандартов и технологий телепортировали квантовые состояния ионов атома кальция и бериллия. Затем в 2006 году группа Евгения Ползика осуществила перенос состояния света в другую физическую среду –  пар рубидия. Ученые переместили информацию, записанную на лазерном луче, в скопление атомов, тем самым доказав возможность телепортации между объектами разной природы – светом и материей.

Все эти годы телепортация осуществлялась по оптоволоконному каналу и через атмосферу на довольно небольшие расстояния. И вот буквально недавно процесс передачи впервые провели (через атмосферу) на расстоянии 97 километров между двумя берегами китайского озера Цинхай (Кукунор). Такой прорыв совершила группа китайских ученых, благодаря разработанной высокоточной системе наведения и настройки на цель.

Но недолго светила науки Поднебесной оставались лидерами в этой области. Весной 2012 года международный коллектив под руководством австрийского физика Антона Цайлингера (кстати, одного из авторов первых экспериментов по квантовой телепортации) осуществил оптическую телепортацию между Канарскими островами Ла Пальма и Тенерифе над водами Атлантического океана на рекордное расстояние в 143 километра. Пока это достижение никто не превзошел. Зато изучение квантовой телепортации идет полным ходом, а значит – новые победы, скорее всего, уже маячат на горизонте.

Подслушать фотоны

Сегодня квантовая телепортация — одно из самых востребованных направлений науки. Выдающиеся ученые сорока стран мира и целые лаборатории занимаются его активным освоением. Какую пользу могут принести новые знания человечеству?

На практике, основная надежда использования эффекта телепортации (или близкого к нему эффекта обмена перепутанными состояниями «entanglement swapping») состоит в так называемой квантовой коммуникации или квантовой связи. Казалось бы, от передачи состояний микроскопических частиц пользы немного. Но у квантовой коммуникации есть основное преимущество перед всеми остальными каналами связи: она позволяет осуществлять абсолютно безопасную передачу сигналов. Это важно, например, при личном разговоре, при передаче номера нашей кредитной карточки или истории болезни…

А вот если злоумышленник все же попытается «подслушать» фотоны, несущие информацию по квантовому каналу, то он неизбежно будет замечен. Согласно фундаментальному закону квантовой физики, на котором основан такой метод защиты коммуникаций, как квантовая криптография, микроскопическое состояние материи нельзя померить, не изменив его. Именно это свойство можно использовать для безопасной передачи данных на большие расстояния (на малых расстояниях вполне можно обойтись без телепортации), кодируя их в элементарных частицах света — фотонах. В таком случае, если на пересылаемые данные кто-то посягнет, то получатель обязательно это определит. А если передача достигнет места назначения без превышения некоторого критического уровня ошибок, то можно быть уверенным — вас никто не подслушивает.

При использовании же обыкновенного – классического  канала, пусть даже зашифрованного, гарантий безопасности у нас нет. Ведь любой шифр можно разгадать с помощью сверхмощного компьютера. А в квантовой коммуникации безопасность гарантирована фундаментальными законами физики.

Квантовый интернет

Эффект квантовой телепортации может быть использован не только при передаче закрытой информации, но и при создании элементов квантового процессора. «Сейчас активно разрабатывается применение квантовой телепортации в устройствах квантовых вычислений, когда разные элементы процессора не могут по каким-то причинам быть непосредственно соединены прямыми каналами связи», — рассказывает доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники Физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Сергей Кулик.

В разных странах проводится множество исследований с целью внедрения в широкую практику квантового  компьютера — гипотетического устройства, использующего квантовые свойства материи для вычислений. Предполагается, что такой компьютер будет способен решать некоторые задачи в огромное число раз быстрее, чем его классический аналог. Данные в квантовом компьютере будут храниться на атомном уровне, а операции будут производиться  с кубитами (а не с битами, как в обычном компьютере). Сейчас в лабораториях создают ограниченные (в несколько кубитов) квантовые «миникомпьютеры». Полномасштабные же компьютеры пока в процессе разработки. Прогнозируют, что операции вычисления в квантовом компьютере будут схожи с телепортацией квантовых состояний частиц, поэтому их можно будет одномоментно производить с колоссальными объемами данных.

В опубликованной в журнале «Nature» 19 июня 2008 года статье “Quantum Internet” Джефф Кимбл из Калифорнийского технологического института впервые предложил концепцию «квантового интернета». Затем стали раздаваться прогнозы о появлении квантового интернета, который займет первенство среди всех традиционных типов сетей. Насколько это реальная перспектива? По мнению профессора Александра Львовского, «квантовый интернет», скорее всего, превзойдёт классический лишь в некоторых его аспектах — например, в безопасности. Что же касается скорости и дешевизны, то классическим оптическим коммуникациям ещё долго не будет равных. Поэтому львиная доля информации будет по-прежнему передаваться по классическим сетям.

Действительно, квантовый канал по скорости передачи данных заметно уступает обыкновенным каналам связи. Это происходит из-за того, что при пересылке информации обязательно задействуется традиционный канал. Любое нарушение процесса передачи считается подслушиванием, что автоматически ведет к сбросу информации и началу новой передачи, а значит удлинению процесса.

«Никакого «мгновенного» переноса при квантовой телепортации не происходит – это противоречило бы элементарным принципам специальной теории относительности, — говорит Сергей Кулик. — На телепортацию требуется столько времени, сколько необходимо классическому сигналу при распространении из одной пространственной точки в другую».

Как сохранить передачу?

Можно сказать, к настоящему моменту уже сделан большой рывок в освоении квантовой телепортации. «Именно телепортация состояний массивных частиц, на мой взгляд, составляет прорыв в этой области, — отмечает профессор  Кулик. — Другим техническим результатом, который постоянно совершенствуется, является увеличение расстояния, на которое телепортируется состояние квантового объекта».

Одно из основных достижений последнего времени — это разработка эффективных методов генерации перепутанных состояний фотонов. Сейчас ведутся исследования новых возможностей генерации, преобразования и измерения специфических квантовых состояний (их называют перепутанными), лежащих в основе эффекта квантовой телепортации.

Одна из приоритетных задач, которая стоит перед учеными, — научиться комбинировать квантовую телепортацию с квантовой памятью, чтобы телепортированное состояние можно было на некоторое время сохранить, как письмо в ящике «до востребования». Эта технология даст возможность создать так называемый квантовый повторитель, с помощью которого будет возможна  квантовая коммуникация и криптография на реально далёкие расстояния — например, через океаны.

«Это, опять же, непросто (в квантовой технологии вообще простых проблем мало), — комментирует Александр Львовский. — Дело в том, что передача квантовой информации осуществляется с помощью света, фотонов. Альтернативы этому нет. Но фотон, как тот львёнок из мультфильма, не любит лежать, а любит бегать. Поэтому мы должны научиться переносить квантовое состояние фотона на другие элементарные частицы — например, атомы».

Чтобы ячейку квантовой оптической памяти можно было применять в линиях связи, она должна обладать двумя свойствами. Во-первых, необходимо, чтобы считанная из ячейки квантовая информация была максимально идентична той, которую в неё до этого записали. Во-вторых, чтобы квантовое состояние, хранясь в ячейке, оставалось неизменным в течение длительного времени.

В настоящее время  ученым удалось осуществить каждое из этих требований по отдельности. Следующий шаг – совместить и то, и другое в одном эксперименте. Чтобы реализовать на практике данную задачу, потребуется около трех-пяти лет, прогнозирует профессор Львовский. Сейчас этим вопросом занимаются в мире многие лаборатории, и вполне вероятно, что в ближайшие годы они добьются значительных успехов.

Стоит сказать, что наши бывшие соотечественники внесли значительный вклад в развитие данного направления. В начале 21-го века Михаил Лукин (теперь профессор Гарварда) изобрёл метод сохранения информации, переносимой светом, который определил тенденции исследований квантовой памяти на много лет вперёд. А профессор технологического университета штата Джоржия Алик Кузмич стал автором экспериментальных работ с рекордными показателями и по эффективности, и по длительности хранения оптической квантовой информации. Сильные группы есть и в Калгари, и в Женеве, и в Канберре, и в Оксфорде, и в Отаго (Новая Зеландия)…

Другая важная задача, которую ставят перед собой специалисты, —  это передача квантовой информации с Земли на спутники, находящиеся на орбите. Группа австрийских ученых под руководством Антона Цайлингера планирует отправить на орбиту специальную лазерную установку, на основе которой будет создан источник квантово-запутанных фотонов. Ученые планируют создать двунаправленный коммуникационный квантовый канал, применив эту установку на международной космической станции и другой подобный аппарат на Земле. Этот беспрецедентный канал должен связать МКС и поверхность Земли. По словам Сергея Кулика, перенос источников/приемников перепутанных состояний в космическое пространство – это вполне реальный результат, который, кстати, может быть достигнут и российскими учеными. Однако это потребует высокой концентрации сил и интеграции научных, технологических и инженерных ресурсов.

Телопортация

В связи с активным изучением квантовой телепортации, то и дело стали поднимать вопрос о том, возможна ли квантовая телепортация состояния человека? Одни исследователи выдвигают смелые предположения о реальности такой перспективы, другие называют подобные разговоры профанацией.

«Полная передача квантового состояния такого огромного и сложного объёма материи, которой является человек, представляется мне запредельно сложной задачей, — выражает свою точку зрения профессор Львовский. – Но, возможно, стоит подойти к этому вопросу по-другому. Сейчас многие говорят о переносе человеческого сознания в компьютер, о том, что разум человека вырастет из своей биологической оболочки и научится выбирать свой материальный носитель по собственному усмотрению».

Если эту мечту удастся реализовать, то «телепортация» человека будет мало отличаться от передачи компьютерного файла, уверен Александр Львовский. Однако многое зависит от того, является ли человеческий мозг по своей сути гигантской вычислительной машиной (машиной Тюринга, как говорят кибернетики), или чем-то более сложным. В первом случае для передачи информации, хранящейся в человеческом разуме, будет достаточно современных компьютерных сетей, конечно, усовершенствованных. Если же мозг представляет собой, скажем, квантовый компьютер, то без квантовой телепортации не обойтись.

Анна Акулич
Журнал «Discovery», декабрь 2012 г.

Телепортация по науке

   6 голосов
Средняя оценка: 5 из 5
Поделись с друзьями!
Оставьте свой комментарий:

на Блоге
в Вконтакте
в Фейсбук