Квантовый мир часто противоречит здравому смыслу. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман как-то заявил: «Думаю, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает». Квантовая телепортация — как раз один из таких странных и, казалось бы, нелогичных феноменов.
В 2017 году исследователи из Китая телепортировали объект в открытый космос. Это был не человек, не собака и даже не молекула. Это был фотон. А точнее — информация, описывающая конкретный фотон. Но почему это называют телепортацией?
Суть в том, что квантовая телепортация мало связана с телепортацией как таковой. Это скорее вопрос создания интернета, который нельзя взломать. Но прежде чем мы перейдем непосредственно к этому вопросу, поговорим об одном парадоксе.
Гениальный физик и автор Специальной и Общей теорий относительности Альберт Эйнштейн считал квантовую механику ошибочной теорией. В 1935 году он вместе с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью, в которой определил парадокс, ставящий под сомнение практически все, что связано с квантовой механикой, — ЭПР-парадокс.
Квантовая механика — наука о самых малых аспектах Вселенной: атомах, электронах, кварках, фотонах и так далее. Она раскрывает парадоксальные, а порой и противоречивые аспекты физической реальности. Одним из таких аспектов можно назвать тот факт, что, проводя измерение частицы, вы ее «изменяете». Это явление в итоге назвали эффектом наблюдателя: акт измерения феномена непоправимо влияет на него.
Зачастую, чтобы наблюдать атом, мы на него светим. Фотоны этого света взаимодействуют с частицей, тем самым влияя на ее позицию, момент импульса, спин или другие характеристики. В квантовом мире применение фотонов для наблюдения атома сродни использованию шаров для боулинга, чтобы пересчитать кегли в конце кегельбана. В итоге точно узнать все свойства частицы невозможно, так как в процессе ее исследования наблюдатель влияет на результат.
Эффект наблюдателя часто путают с идеей о том, что сознание каким-то образом может повлиять на действительность или даже создать ее. На самом деле, в этом эффекте нет ничего сверхъестественного, так как для него вовсе не требуется сознание.
Фотоны, сталкивающиеся с атомом, производят тот же самый эффект наблюдателя вне зависимости от того, движутся они к нему по причине действий со стороны человеческого сознания или нет. В этом случае «наблюдать» — значит попросту взаимодействовать.
Мы не можем быть сторонними наблюдателями. В квантовых системах человек всегда принимает активное участие, смазывая результаты.
Именно это не нравилось Альберту Эйнштейну. Для него эта присущая неопределенность указывала на неполноту квантовой механики, которую надо было устранить. Ученый считал, что реальность не может быть настолько ненадежной. Именно к этому относится его знаменитая фраза: «Бог не играет в кости со Вселенной».
И ничто так сильно не подчеркивало слабость квантовой механики, как парадокс квантовой запутанности.
Иногда на квантовых масштабах частицы могут стать взаимосвязанными между собой таким образом, что измерение свойств одной частицы моментально влияет на другую, вне зависимости от того, насколько они удалены друг от друга. Это и есть квантовая запутанность.
Согласно теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее света. Однако квантовая запутанность, похоже, нарушала это правило. Если одна частица запутана с другой, а любое возможное изменение, происходящее с одной из них, влияет на вторую, значит, между ними должна происходить какая-то связь. Иначе как они могут влиять друг на друга? Но если это происходит моментально, несмотря на расстояния, эта связь должна происходить быстрее скорости света — отсюда тот самый ЭПР-парадокс.
КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ
Допустим, у Алисы есть некий фотон с поляризацией α, которую она еще не знает, то есть находящийся в неизвестном состоянии. Между ней и Бобом нет прямого канала. Если бы канал был, то Алиса смогла бы зарегистрировать состояние фотона и донести эту информацию до Боба. Но квантовое состояние за одно измерение узнать невозможно, поэтому такой способ не годится. Однако между Алисой и Бобом есть заранее приготовленная запутанная пара фотонов. За счет этого можно заставить фотон Боба принять первоначальное состояние фотона Алисы, «созвонившись» потом по условной телефонной линии.
Вот классический (хотя и очень отдаленный аналог) всего этого. Алиса и Боб получают в конверте по шарику — синий или красный. Алиса хочет послать Бобу информацию о том, какой у нее. Для этого ей нужно, «созвонившись» с Бобом, сравнить шарики, сказав ему «у меня такой же» или «у нас разные». Если кто-то подслушивает эту линию, то это не поможет ему узнать их цвет.
Таким образом, существуют четыре варианта исхода событий (условно, у получателей синие шарики, красные шарики, красный и синий или синий и красный — прим. «Ленты.ру»). Они интересны тем, что образуют базис. Если у нас есть два каких-то фотона с неизвестной поляризацией, то им можно «задать вопрос», в каком из этих состояний они находятся, и получить ответ. Но если хотя бы один из них окажется запутан с каким-то другим фотоном, то произойдет эффект удаленного приготовления, и третий, удаленный фотон «приготовится» в определенном состоянии. На этом и основана квантовая телепортация.
Как это все работает? У нас есть запутанное состояние и фотон, который мы хотим телепортировать. Алиса должна произвести соответствующее измерение исходного телепортированного фотона и задать вопрос, в каком состоянии находится другой. Случайным образом она получает один из четырех возможных ответов. В результате эффекта дистанционного приготовления оказывается, что после этого измерения в зависимости от результата фотон Боба перешел в определенное состояние. До этого он был запутан с фотоном Алисы, пребывая в неопределенном состоянии.
Алиса сообщает Бобу по телефону, каким был результат ее измерений. Если ее результат, допустим, оказался ψ-, то Боб знает, что его фотон автоматически преобразовался в это состояние. Если же Алиса сообщила, что ее измерение дало результат ψ+, то фотон Боба принял поляризацию -α. В конце эксперимента по телепортации у Боба оказывается копия первоначального фотона Алисы, а ее фотон и информация о нем в процессе разрушаются.
