Шестьдесят лет назад на экраны вышла научно-фантастическая вселенная, подарившая зрителям одну из самых узнаваемых технологий будущего. В сериале «Звёздный путь» появился транспортер — машина, способная мгновенно перемещать человека из одной точки пространства в другую. Первоначально это решение было продиктовано скромным бюджетом: создатели сериала стремились избежать затрат на дорогостоящие сцены посадки космических кораблей. Однако именно транспортер, позволявший героям бесшовно перемещаться на борт «Энтерпрайза» и обратно, быстро стал не просто сценарным приемом, а визитной карточкой франшизы.
Согласно вымышленной физике «Звёздного пути», телепорт преобразует материю в поток энергии, отправляет его в заданную точку, а затем восстанавливает исходную структуру атом за атомом. Хотя этот сериал и не был первым художественным произведением, обратившимся к идее телепортации, именно его версия сумела захватить воображение многомиллионной аудитории. Она породила устойчивые культурные мемы и дала толчок бесчисленным технологическим идеям, которые долгое время считались уделом далекого будущего.
Однако вскоре выяснилось, что будущее наступает быстрее, чем предполагалось. Телепортация перестала быть исключительно сценарной выдумкой и начала обретать черты научной реальности.
Рождение квантовой телепортации
Более тридцати лет назад группа физиков столкнулась с необходимостью подобрать название для принципиально новой концепции. Им предстояло описать процесс передачи квантовых состояний атомов или субатомных частиц другим, удаленным частицам без какого-либо физического переноса материи. Квантовое состояние в данном контексте представляет собой математическое описание параметров частицы, таких как энергетический уровень электрона или поляризация фотона.
Вдохновленные научной фантастикой, ученые назвали это явление «квантовой телепортацией». С тех пор концепция прошла впечатляющий путь от абстрактной теории до доказанного экспериментального факта. Ранние эксперименты конца 1990-х годов продемонстрировали возможность передачи квантовых состояний на короткие расстояния. Последующие исследования позволили значительно расширить масштабы экспериментов. Кульминацией этого этапа стал 2017 год, когда китайские ученые осуществили телепортацию квантовой информации с поверхности Земли на низкую околоземную орбиту и обратно. В основе этого прорыва лежало явление квантовой запутанности — природный феномен, при котором частицы остаются неразрывно связанными друг с другом вне зависимости от разделяющего их расстояния.
Граница между фантастикой и реальностью
Важно подчеркнуть, что квантовая телепортация принципиально отличается от транспортировки материи, знакомой зрителям по голливудским блокбастерам. В отличие от вымышленного аналога, она занимается передачей квантовой информации без какого-либо физического перемещения вещества. И хотя эксперты в этой области категоричны: открытия не приведут к появлению бытовых телепортационных кабин в стиле «Звёздного пути», разрабатываемый метод способен проложить путь к новому поколению вычислительных технологий. Он также может коренным образом изменить научное понимание субатомного мира и, в более широком смысле, структуры всей Вселенной.
Как отмечает Джейсон Оркутт, ведущий исследователь компании IBM Quantum, природа по своей сути является квантовой, а человек, по сути, представляет собой сложный набор квантовой информации.
Квантовая телепортация и решение сложных задач
В повседневной жизни объекты подчиняются привычным законам классической физики. Однако при погружении на уровень атомов и субатомных частиц открывается совершенно иная, зачастую противоречащая интуиции реальность. Это мир квантовой физики, где частицы могут существовать одновременно в нескольких состояниях и оставаться связанными вне зависимости от расстояния.
Значительная часть этого мира недоступна для описания обычными компьютерами. В то время как классические вычислительные машины оперируют битами, закодированными как 0 или 1, квантовые системы используют кубиты (квантовые биты), чьи состояния гораздо сложнее и многовариантнее. Кубиты способны смешивать ноль и единицу в квантовом состоянии вплоть до момента измерения — явление, получившее название суперпозиции. Кроме того, кубиты могут вступать в запутанность с другими кубитами, так что измерение одного из них мгновенно влияет на результат измерения другого. В результате формируется сложная форма информации, которая и лежит в основе колоссальной мощности квантовых вычислений.
По словам Джейсона Оркутта, существует множество задач, которые классические компьютеры принципиально неспособны решить. В будущем квантовые машины смогут моделировать молекулы и химические реакции с беспрецедентной точностью. Это, в свою очередь, может привести к повышению эффективности производственных процессов, усовершенствованию методов синтеза азота для нужд сельского хозяйства и разработке совершенно новых материалов.
Коммерческие квантовые компьютеры уже существуют, однако их нынешние возможности ограничены. Для создания более мощных и надежных систем, способных исправлять ошибки и выполнять длительные вычисления, исследователям необходимо найти эффективные способы передачи квантовой информации. Проблема заключается в фундаментальном свойстве квантового мира: при измерении квантового состояния оно необратимо изменяется. Как поясняет Симоне Порталуппи, исследователь в области квантовых коммуникаций и участник программы QR.N, направленной на расширение возможностей передачи квантовых данных, квантовую информацию невозможно клонировать.
Именно здесь на помощь приходит квантовая телепортация. Как протокол, позволяющий передавать квантовые состояния без физического перемещения материи, телепортация может стать стандартным методом связи между квантовыми системами. Это открывает перспективы для соединения удаленных квантовых компьютеров и, в конечном итоге, для создания полноценного квантового интернета.
Принцип работы: инструкция для запутанных частиц
Квантовая запутанность является естественным природным явлением, однако ученые также научились создавать запутанные частицы искусственно. После того как две квантовые системы вступают в состояние запутанности, их параметры остаются связанными друг с другом независимо от расстояния. Именно это свойство делает запутанность идеальной основой для передачи информации.
Классическое описание этого процесса использует мысленный эксперимент с участием двух исследователей, условно названных Алисой и Бобом, которые разделяют между собой пару запутанных частиц. Алиса намерена передать Бобу новую информацию. Для этого она подготавливает кубит, содержащий нужные данные, а затем одновременно производит измерение этого информационного кубита и своей половины запутанной пары. Данное действие, известное как измерение Бела, переводит информационный кубит в состояние запутанности с двумя другими и выявляет, какое из четырех возможных общих состояний разделяют кубиты Алисы. В то же время процесс измерения неизбежно разрушает исходное квантовое состояние информационного кубита.
Результат этого измерения представляет собой классическую информацию — последовательность нулей и единиц, — которую Алиса может передать Бобу по обычному, традиционному каналу связи.
Даниэль Облак, специалист по квантовой информации из Университета Калгари, подчеркивает важность этого «классического» этапа. Он проводит аналогию с инструкцией по правильному открыванию коробки с декоративным снежным шаром: чтобы сувенир выглядел именно так, как задумано, его необходимо повернуть определенной стороной вверх. Результаты измерений Алисы служат для Боба такой инструкцией, указывая, какую квантовую операцию следует применить к его половине запутанной пары. Выполнив эти действия, Боб «открывает ящик» и получает кубит, находящийся в точности в том же состоянии, в котором изначально находился кубит Алисы. Информация успешно передана.
Первое теоретическое описание квантовой телепортации было опубликовано в 1993 году, и вскоре после этого начались экспериментальные демонстрации. К началу второго десятилетия XXI века ученые научились телепортировать различные типы квантовых состояний, включая состояния сверхпроводящих цепей. Кроме того, было доказано, что квантовые состояния могут передаваться между городами, а также между Землей и космическим пространством. Сегодня, по словам Джейсона Оркутта, эта область переходит из стадии чистой науки в стадию инженерии, что является необходимым условием для соединения и масштабирования будущих квантовых вычислительных систем.
Возможно ли телепортировать человека?
Несмотря на то, что квантовая телепортация, вероятно, сыграет ключевую роль в развитии технологий будущего, эксперты единодушны в своей осторожности. Они категорически отвергают предположения о том, что эти исследования приведут к созданию устройств, аналогичных транспортеру из «Звёздного пути».
Исследователь квантовых коммуникаций Тим Стробель, также участвующий в проекте QR.N, предостерегает от ложных аналогий. Сравнение с научной фантастикой вводит в заблуждение, поскольку в реальности телепортируются квантовые состояния, а не материя или энергия.
Даниэль Облак поясняет, что для телепортации живого человека потребовалось бы передать всю квантовую информацию о каждом атоме и частице его тела. Более того, в точке приема необходимо было бы иметь готовую структуру из атомов, расположенных в строго определенном порядке. По мнению ученого, даже вообразить такую процедуру в рамках современных научных представлений невозможно.
Помимо технических сложностей, существует и глубокий философский вопрос. Поскольку исходное квантовое состояние подлежит уничтожению, остается неясным: является ли человек, материализующийся в другом месте, тем же самым индивидом или же это его новая копия?
Теорема о невозможности клонирования в квантовой механике гласит, что невозможно создать идентичную и независимую копию неизвестного квантового состояния. Квантовая телепортация обходит это ограничение именно за счет того, что исходное состояние разрушается в процессе измерения. Таким образом, телепортированная версия может считаться «той же самой», а не копией.
Если окажется, что личность человека, его воспоминания и самосознание неразрывно связаны с квантовой информацией, то теоретически телепортация могла бы сохранить сущность личности при переносе. Однако если это не так, то процедура может означать гибель оригинала ради существования его клона в другом месте.
Джейсон Оркутт подводит итог, отмечая, что подобные рассуждения остаются в области предположений. По крайней мере, на текущем этапе развития науки вопрос о возможности телепортации человека, или даже отдельного сложного атома, остается исключительно в компетенции научной фантастики, а не практической физики.