Вернер и Кумар уходят в отрыв всеми возможными путями...
Первая демонстрация квантовой телепортации по оптоволоконным кабелям с интернетом
20 декабря 2024 года в журнале Optic опубликована статья об успешном эксперименте с квантовой телепортацией. Первая в истории квантовая телепортация фотона была проведена под руководством лауреата Нобелевской премии 2022 года Антона Цайлингера в 1997 году. Особенность свежего эксперимента в том, что запутанные фотоны передали по оптоволоконному кабелю одновременно с сигналом высокоскоростного интернета.
Это стало возможно благодаря мультиплексированию по частоте. Такой прием очень распространен в технологиях связи. Например, обычное радио передает эфир множества радиостанций одновременно. Выбрать, скажем, "Европу плюс" в Санкт-Петербурге можно настроившись на частоту приема 100,5 МГц. Мультиплексирование применяется и для уплотнения интернет-сигнала, идущего по оптоволокну. Одновременно передается несколько потоков данных, которые не мешают друг другу из-за разной поляризации и разделению по частоте.
Кумар и шестеро его коллег смогли запустить одиночный фотон в кабель уже загруженный интернет графиком со скоростью 400 Гбит/с. Фотон от передатчика прошел 15 км в одну строну и встретился с фотоном от приемника, который прошел 15 км ему навстречу. Фотон приемника уже был запутан с другими фотоном, который шел в ту же сторону что и первый фотон. В середине 30-километрового кабеля специальное устройство запутало фотоны передатчика и приемника, что привело к мгновенной передаче информации от первого фотона к последнему. Так квантовая телепортация передала данные быстрее скорости света.
Зачем смешивать интернет и телепорт?
Особое достижение эксперимента Кумара, которое он сам отмечает в интервью на сайте Северо-Западного университета, в том что квантовый эксперимент прошел с использованием потребительской инфраструктуры. Если бы орбитальные полеты проходили с использованием обычных гражданских аэродромов, это неизмеримо ускорило бы развитие космической отрасли. А теперь получается, что у квантовой телепортации есть шанс воспользоваться уже развитой сетью оптоволоконных кабелей.
Телепортация в фантастике
Первое упоминание телепортации в фантастике состоялось еще в 1877 году в рассказе «Человек без тела», но это не очень интересно. Артур Конан Дойл написал рассказ «Дезинтеграционная машина» в 1927 году. Любопытно тут то, что в этом же году состоялся Сольвеевский конгресс, на котором прошел самый крупный научный спор в истории между Эйнштейном и Бором. Получается, во времена Конан Дойла научная база телепортации уже была и активно обсуждалась. В 1957 году вышел рассказ «Муха» Жоржа Ланжелана, который был экранизирован в 1988 году, подарив зрителям ряд вопросов к идее телепортации.
Но самая массовая телевизионная телепортация была показала в Star Trek, начиная с первой же серии оригинального сериала. Вопрос у фанатов был только один - как же быть с неопределенностью Гейзенберга? Чтобы на него ответить, авторы добавили устройство - «компенсатор Гейзенберга». Однако, неопределенность необходима для механизма квантовой телепортации - это причина и следствие. Любопытно, что причина добавления «транспортера» в сериал - экономия средства на графику взлета и посадки спускаемого корабля. В кино, экономия часто развивает жанр.
Требования к телепортации
Насмотревшись на телепортацию в кино, мы сформировали некоторые ожидания к работе подобной технологии. Перечислим их, чтобы потом сравнить с результатами реальных физиков, например Кумара.
Работа со скоростью света или быстрее
Возить массивную материю можно, скорее всего, только медленнее скорости света. Хотелось бы называть телепортацией то что обходит подобное ограничение.
Преодоление препятствий
Часто к телепортации в фантастике прибегают не потому что конечная точка далеко, а потому что она отделена от героев корпусом корабля или атмосферой планеты. Хотелось бы игнорировать некоторые преграды на пути.
Выйти должно то что вошло
К телепортации человека и так много вопросов. Например, то что выглядит как путешествие со стороны, как ощущается изнутри сознания? Не убийство ли это одной личности и создание копии в другом месте? Но есть и более простое требование - не хотелось бы иметь шанс исказить информацию в процессе ее передачи. Герой «Мухи» не даст соврать, что это не круто.
Телепортация массы
Передавать информацию мгновенно хорошо, но лучше отправлять грузы без необходимости их везти. А еще лучше - телепортировать людей. И вообще хорошо, если такое можно проделать с большими составными объектами - кораблями, станциями, складами.
Выгода
Телепортация должна быть оправдана некой выгодой, получить которую иначе невозможно. Или ее обойдут более тривиальные методы.
Что есть у квантовой телепортации сейчас?
Опережение скорости света
С одной стороны, основа технологии - запутанные частицы, которые связанны только лишь нашим знанием одной из враждующих физических величин у одной частицы и другой величины у другой частицы. То есть, несмотря на то что информация не имеет физического «тела» и передается мгновенно даже в прошлое или будущее, носитель этой информации нужно доставлять классическим путем. Кумару с коллегами удалось обогнать скорость света втрое, но цена такого ускорения - специальное оборудование в середине пути. То есть, не получится обогнать скорость света в миллионы раз, потому что это потребует неадекватно числа промежуточных ретрансляторов. Кроме того, общаться планетам в разных концах Млечного пути будет затруднительно, ведь между ними космос, а не оптоволокно. Оборудовать квантовые запутыватели в космосе тоже, наверное, проблема.
Преодоление препятствий
Из необходимости доставки носителя информации вытекают трудности с телепортацией сквозь непрозрачный корпус корабля или плотную или загрязненную атмосферу планеты. С другой стороны, то что непрозрачно для фотонов видимого спектра, может оказаться достаточно прозрачно для мюонов, рентген- и гамма-фотонов. То есть, принципиальная возможность послать частицу сквозь корабль и даже часть планеты - есть. Нужно только грамотно подобрать частиуц-носитель. Еще лучше, когда частицы переданы заранее. То есть, сама передача информации между запутанными частицами - не имеет преград, никак не экранируется, защититься от нее невозможно. Нужно только подготовиться.
Достоверность квантовой телепортации
С одной стороны, в квантовом мире, все - вероятность. С другой, команда Кумара достигала высокого качества передачи информации по загруженному интернет-кабелю. Запутанные фотоны не потерялись, не исказили информацию и им не помешали другие фотоны.Кажется, что проблема достоверности телепортации физиками уже решена.
Перенос массивной материи
А вот мгновенно переместить массивные тела - то что чаще всего представляют фанаты фантастики, услышав слово «телепортация», запутанные частицы не позволяют. Квантовая механика телепортирует только информацию. С другой стороны, в квантовом мире информация имеет физический смысл. Можно считать информацию у составного объекта, передать ее через частицы-посредники и она изменит объект-реципиент, создав копию объекта-донора. Но на этом пути множество трудностей. Например, охлаждение до состояния конденсата Бозе-Эйнштена, кажется, необходимым условием такого процесса. Ну и квантовая телепортация не создает новые частицы. У нас уже должен быть объект-реципиент с подходящим составом. Возможно, эти особенности лишат квантовую телепортацию массивной материи смысла и коммерческого потенциала.
Выгода
Учитывая, довольно компромиссный характер технологии, есть смысл ожидать ее узко-специлизированное применение. Например, можно ускорить интернет там где это действительно играет важную роль. Может быть, на квантовой оптической связи будет работать информационное сообщение с Лунной базой. Другая ниша - связь между чипами квантовых компьютеров. Физики из Оксфорда запутали кубиты двух соседних квантовых процессоров. Так можно масштабировать квантовые чипы создав распределенный суперкомпьютер. Однако, есть и другой метод масштабирования квантовых чипов, основанный на сверхпроводниках с необычной топологией. Этот метод продемонстрировали физики из Microsoft. Очевидно, что на квантовом рынке идет серьезная конкурентная борьба, а вот кто ее лидер - не очевидно.
Натянем телепортацию из Star Trek на правила квантовой механики
Что получится, если представить современное научное понимание телепортации в эстетике знаменитого фантастического сериала?
1. Наверное, телепортация живых существ была бы запрещена добрыми коалициями. Помимо морально-этических вопросов о том что происходит с сознанием при копировании, выживание в экстремальных условиях охлаждения было бы сомнительным. Можно было бы телепортировать роботов без возврата, с условием что на планете высадки уже есть заготовка для такого робота. А потом, оставленные копии роботов поднимали бы восстания и двигали сюжет.
2. Так как носитель информации материален, возникали бы занимательные вопросы - какие частицы выбрать и как ими попасть в нужную цель. Противники могли бы защищаться от заряженных частиц магнитным полем, а от незаряженные преломлять плотными материалами. Это создало бы целую отдельную сюжетную плоскость для душных приключений.
3. Телепортация из отдаленного сектора корабля быстрее и скорости света и скорости варп-двигателя была бы невозможной. Для доставки частицы-носителя пришлось бы использовать те же средства, что нужны кораблю для сверхсветового движения: червоточину, варп-двигатель или манипуляции с массой в широких пределах.
4. Тривиально была бы решена задача телепортации простых вещей туда где есть идеальная заготовка для принятия квантовой информации. Для сложных составных объектов и неудобных реципиентов пришлось бы выкручиваться, на чем тоже можно строить сюжетные рельсы.
Резюме
1. Когда уважаемый, но пожилой учёный утверждает, что что-то возможно, то он почти наверняка прав. Когда он утверждает, что что-то невозможно, — он, весьма вероятно, ошибается.
2. Единственный способ обнаружения пределов возможного состоит в том, чтобы отважиться шагнуть немного дальше — в невозможное.
3. Любая достаточно развитая технология неотличима от магии.
Три закона Артура Кларка
Квантовая телепортация дня сегодняшнего - на пол пути к магии. Для господствующей научной парадигмы век назад - это не просто смелое предположение, а пипец, какое смелое! Для фантастической парадигмы, предполагаемой через два века в будущем - это система сдержек и противовесов, не дающая ультимативных преимуществ. Некоторые черты этой системы могут быть уточнены уже в ближайшие пару лет.
Что еще почитать?
- Фейнмановские лекции по физике, 3 том "Излучение, волны, кванты"
Автор статьи - физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал