08.11.2024. - Квантовый прорыв может сделать телепортацию реальностью

Квантовый прорыв может сделать телепортацию реальностью

Ученые впервые доказали, что телепортация возможна, еще в 1993 году, когда команда из IBM опубликовала статью о телепортации квантового состояния, а не просто объекта, в журнале Physical Review Letters. Пять лет спустя физики из Калифорнийского технологического института и Уэльского университета в Великобритании применили теорию на практике, телепортировав фотон (частицу, переносящую свет) по метровому коаксиальному кабелю, который обычно используется для подключения спутниковых сигналов или широкополосного Интернета.

Подобно летающим автомобилям и путешествиям во времени, эта способность мгновенно перемещать что—либо в физическом пространстве очень привлекательна, даже если кажется невозможной. Но ученые убеждены, что прорыв в технологии квантовых вычислений может сделать телепортацию реальностью.

До сих пор самые передовые эксперименты по телепортации основывались на фотонах, но совсем недавно, в 2020 году, ученые обнаружили, что вместо них можно телепортировать электроны, которые могут сохранять свои квантовые состояния в течение более длительных периодов времени.

Итак, будет ли на очереди транспортировка более сложной материи? Если мы сможем мгновенно перемещать легкие частицы и электроны из пункта А в пункт Б, сможем ли мы телепортировать целые атомы, молекулы, живые клетки и, в конечном счете, какого-нибудь отважного испытуемого-человека? И, возможно, что еще более важно, даже если бы мы могли найти способ телепортировать целых людей... должны ли мы это делать?

В конце концов, никто не обещает, что все частицы внутри вашего тела, будучи вновь собраны в месте назначения, составят одного полностью неповрежденного, принципиально не изменившегося человека.

Квантовые вычисления основаны на странной науке о квантовой запутанности, которая не имеет ничего общего с нашим повседневным опытом ньютоновской механики, такой как массы, силы и связанные с ними эффекты. Запутанность относится к области квантовой механики, где материя и энергия на субатомном уровне ведут себя необычным образом. Физические свойства запутанных частиц, такие как положение, импульс, спин или поляризация, передаются от одной частицы к другой, казалось бы, по мановению волшебной палочки и независимо от расстояния между ними.

Этот призрачный природный принцип имеет очень интересное применение в квантовых вычислениях. В то время как современные компьютеры основаны на электронных битах, которые имеют одно из двух состояний (1 или 0), квантовые вычисления выполняются на кубитах, или квантовых битах, которые существуют в двух состояниях одновременно. Это называется когерентной суперпозицией.

Кубит может выполнять два вычисления одновременно просто потому, что он существует в обоих состояниях суперпозиции. Соедините эти кубиты вместе с помощью квантовой запутанности, и это увеличит вычислительную мощность в геометрической прогрессии; современные квантовые компьютеры способны обрабатывать огромные нагрузки намного быстрее. Только в одном примере, проведенном Google в 2019 году, говорится, что квантовая схема выполнит конкретный расчет примерно за 200 секунд, но на самом быстром из существующих суперкомпьютеров потребуется 10 000 лет.

Это делает квантовые вычисления на сегодняшний день единственным направлением практических исследований запутанности и, как следствие, инструментом для развития техники телепортации.

Среди многих достижений в области технологии телепортации, появившихся с 1990-х годов, ученые из Университета Инсбрука в Австрии и Национального института стандартов и технологий США в 2002 году телепортировали частицы с помощью квантовой запутанности. Это первый случай, когда телепортация была осуществлена без какой-либо прямой связи между исходной и конечной частицами. В 2016 году физики из Университета Калгари в Канаде телепортировали частицу на шесть километров (или чуть меньше четырех миль) по городским волоконно-оптическим кабелям передачи данных. Год спустя ученые из Китая телепортировали фотон с Земли на спутник, находящийся на орбите более чем в 186 милях над землей.

Пожалуй, самой важной вехой стал 2012 год, когда исследователи из Венского университета в Австрии и Австрийской академии наук телепортировали фотоны между двумя массивами суши на Канарских островах Испании — по воздуху. Вместо того чтобы транспортировать частицы по кабелю или другому стационарному носителю от источника к месту назначения, эта команда отказалась от технологии переноса. Их достижение ближе к тому, как мы представляем телепортацию в научной фантастике.

Однако ученые могли бы вместо этого основывать науку о телепортации на таинственной силе, которая удерживает физические состояния разрозненных и удаленных частиц в постоянном движении. Это позволило бы двум фотонам сформировать единое квантовое состояние, даже если они могут быть сильно разделены, говорит космолог и физик-теоретик Пол Дэвис, доктор философии, директор Центра фундаментальных научных концепций Beyond при Университете штата Аризона.

“Это означает, что результаты измерений, выполненных независимо для каждого фотона, коррелируют таким образом, который невозможен для классических пар объектов, таких как перчатки для левой и правой руки”, - объясняет он.

Представьте себе три частицы: A, B и C. Предположим, что B и C перепутаны, и частица A обладает физическим свойством — таким, как движение или энергия, — которое вы хотите телепортировать в частицу C. Сначала вы связываете A с B, а затем измеряете оба свойства. Вы отправляете результаты измерений в C— и обнаруживаете, что свойство, которое вы установили у частицы A, теперь применимо к частице C. Это произошло без какого-либо контакта или прямого воздействия друг на друга. Другими словами, A был телепортирован в C, что указывает на передачу квантовых состояний между частицами. Эйнштейн, как известно, назвал такие эффекты “пугающим действием на расстоянии”.

На данный момент ученые еще не определили идеальный механизм передачи квантового состояния. До сих пор исследователи использовали как коаксиальные, так и волоконно-оптические кабели и даже экспериментировали с использованием вообще никаких средств передачи, как в эксперименте на Канарских островах в 2012 году. Может быть, лучшим вариантом был бы импульс света или, возможно, радиоволны? Может ли телепортация работать только в космическом вакууме?

Исследователи полагают, что секрет связи между запутанными частицами может заключаться в волновой функции между ними. У таких частиц есть фазы, как у волны в океане, с амплитудой, длиной волны и частотой.

Еще более странный эффект запутанной квантовой информации, с которым ученым необходимо разобраться, заключается в том, что, когда квантовое состояние применяется к запутанной частице, исходное квантовое состояние частицы самопроизвольно разрушается. Дэвис говорит, что ”эффект заключается в необратимом "сворачивании" волновой функции в один конкретный результат" из набора вероятностей. “Существует много ответов [на то, как решить эту проблему], но нет согласия”, - добавляет он.

Может ли это означать, что оригинальная копия того, что вы только что перевезли, на самом деле уничтожена? Этот вопрос все еще остается открытым, и из-за него вопрос о телепортации людей, несомненно, сопряжен с этическими трудностями.

На данный момент этот святой грааль телепортации — перемещение целых людей из одного места в другое — пока невозможен. В человеческом теле насчитывается около 1027 атомов. Каждый из них состоит из электронов, протонов и нейтронов. Каждая из этих субатомных единиц состоит из более мелких частиц, таких как кварки или мюоны, и каждая из них имеет свое собственное квантовое состояние. Представьте себе колоссальное количество квантовых состояний, которые нам пришлось бы вычислить, чтобы отправить все ваше физическое существо в точку В и собрать вас в точности так, как вы существуете в точке А.

До того, как мы узнали, на что способна квантовая механика, большинство писателей-фантастов атомного века предполагали, что материя сама по себе распадается, транспортируется куда-то и собирается заново. Однако квантовая запутанность показала нам, что вы в буквальном смысле транспортируете не саму материю, а информацию о том, что характеризует квантовое состояние, — говорит Дэвис.

И, как утверждают многие ученые (включая Дэвиса), жизнь должна определяться информацией, а не материей. Атомы внутри нас такие же, как в камне или резиновом мяче — разница лишь в количестве и расположении частиц, что определяет их химическое взаимодействие.

Если мы когда—нибудь преодолеем проблему вычислительной мощности — чего, по-видимому, может достичь скачок в технологии квантовых вычислений, - может ли телепортация быть такой же простой, как квантовое сканирование вашего тела и отправка его, например, в виде приложения к электронному письму? Принцип неопределенности не позволяет нам знать одновременно скорость и положение частицы, поэтому, как бы тщательно вы ни сканировали квантовое состояние каждой частицы в своем теле, вы никогда не достигнете 100-процентной точности.

Что могут означать такие ошибки в передаче сигналов для квантовой копии? Возможно, ваше телепортированное "я" прибывает без единой царапины, но в следующий раз, когда вы садитесь ужинать, вы обнаруживаете, что любите брокколи, хотя раньше терпеть ее не могли. Или же потеря верности вашего телепортированного "я" может быть более серьезной — вплоть до катастрофы — во время восстановления вашего тела.

Даже если нам удастся решить все эти проблемы, мы должны рассмотреть философский вопрос: представляют ли атомы вашего тела и все их квантовые состояния то существо, которым вы себя считаете?

Физик—экспериментатор и теоретик Джон Клаузер, который вместе со своими коллегами в 2022 году получил Нобелевскую премию по физике за работу о квантовой запутанности, имеет свой взгляд на этот вопрос, который может заставить вас задуматься.

“Представьте, что вам сказали, что если вы войдете в эту коробку, то каждый атом в вашем теле будет разобран, что фактически приведет к полному разрушению вашего тела и, таким образом, к вашей смерти”, - говорит Клаузер. “Более того, вам также сказали, что после этого ваш репликант начнет разгуливать по округе... захватывая вашу жизнь такой, какой вы ее когда-то знали... Вы бы вошли в эту коробку? Я бы, конечно, не стал!”

Источник