|
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
|
