20.09.2017
Квантовая телепортация

Квантовая телепортация еще более странная

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

На прошлой неделе у ВВС появился заголовок: «Впервые объект телепортировали на земную орбиту». Это сообщение, возможно, самое фантастическое из того, что вы прочитали в течение года.

Будущее, которое так часто обещала научная фантастика, кажется, уже становится реальностью. На самом деле не все так просто, пишет Филип Болл для издания Nature.

Говорится про сообщение китайских ученых, которые заявляют, что им удалось передать квантовое состояние фотона на Земле к другому фотону на спутнике на низкой околоземной орбите (приблизительно 1400 км). Впервые это явление продемонстрировали в лаборатории 20 лет назад, и его название – квантовая телепортация.

Непосвященных людей название может ввести в заблуждение. В подробном описании эксперимента в издании Discover речь шла о том, что ученые «успешно перенесли квантовые запутанные частицы». Это сопровождает несколько туманное объяснение о том, что «в отличие от телепортации в научной фантастике, ничего физического не было перемещено».

Но разве информация не физическое? Физическую природу информации обосновывал никто иной, как физик Рольф Ландауер, один из основателей информационной теории. Если вы не отправляете ничего физического, то как вы вообще можете что-то отправить из точки А в точку Б?

Это — одна из глубоких проблем, о которой до сих пор спорят физики и философы. Мы можем дискутировать о том, квантовая телепортация — это точный термин, который описывает научную идею, или, может, только громкая пузырь, что вводит в заблуждение. Но настоящий вопрос — что именно передается при квантовой телепортации и как? — касается гораздо более глубоких научных проблем.

Когда физики Эшер Перес и Уильям Вутерс еще в 1993 году решили назвать это явление «телеферезом», маловероятно, что мы бы увидели заголовки в прессе с таким словом. Их соавтор Чарльз Беннет предложил более громкий термин «квантовая телепортация».

Этот процесс можно называть по-разному, но суть его такая: он стирает квантовое состояние одной частицы и переносит его на другую, идентичную ей.

Последствия этого процесса невозможно отличить от настоящей телепортации частицы из точки А в точку Б. То есть на самом деле физического перемещения нет, но внешне выглядит так, словно оно произошло. Ключевым, однако, здесь является то, что все это работает только тогда, когда вы не знаете, какую «информацию» передаете, то есть квантовое состояние оригинальной частицы.

Телепортация квантового состояния основывается на явлении квантовой запутанности. Когда две или более частиц запутанные между собой, их квантовые состояния взаимосвязаны, несмотря на расстояние между ними. Они, собственно, действуют как единый квантовый объект, который описывает одна и та же волновая функция.

Процесс начинается с запутывания пары частиц с целью установления между ними квантового коммуникационного канала. Часть А содержит отправитель (назовем его Элис), а В отправляется получателю (Бобу). Так как частицы запутаны и, следовательно, взаимозависимы, если Элис выполняет физическую операцию на своей частичке, она в то же мгновение отображается на частичке у Боба. Но у Элис есть еще и третья часть С: ее квантового состояния она не знает, но хочет телепортировать ее Бобу.

Чтобы выполнить эту процедуру, Элис проводит специальное измерение, названное измерением Белла, вместе на частицах А и С. Это, собственно, не сообщает о ее состоянии, в котором состоит С. Но, через запутанность между А и В, В теперь может трансформироваться в состояние, который оригинально было в С, если Боб проведет правильную операцию. Проведя измерения, Элис стерла это состояние в самой С.

Но какую операцию должен провести Боб, чтобы завершить телепортацию? Он может сделать вывод об этом по результатам Элисового измерения Белла. Оно должно сообщить ему этот результат каким-то классическим способом — по е-мейлу, телефону или хотя бы почтовым голубем. Как только он получает его, Боб знает, что нужно сделать, чтобы перевести В в оригинальное состояние С.

Распространенным является взгляд, что квантовая телепортация — это новый способ передачи информации, такая себе разновидность высокоскоростного Wi-Fi. Но самым удивительным в этом является то, что информация отправляется моментально, то есть быстрее света, ведь только так общаются две запутанные частицы.

Но разве это не запрещает специальная теория относительности Альберта Эйнштейна? Да, и этот запрет связан с самой сутью возражения Эйнштейна против явления квантовой запутанности (которое он называл «жутким действием на расстоянии»). Собственно, специальная теория относительности накладывает запрет на причинно-следственную связь со скоростью, большей скорости света: событие в одном месте не может иметь физических наблюдаемых последствий в другом месте быстрее, чем расстояние между двумя местами преодолеет луч света. Но квантовая телепортация не переносит причинно-следственной связи со скоростью, большей скорости света, поскольку, чтобы завершить процесс, вам также нужен классический канал, ограниченный по крайней мере до скорости света.

Ключевым здесь является то, что это неповторимое состояние никогда не измеряется непосредственно. Именно то, что эта информация остается скрытой во время телепортации и уничтожается у оригинала, обеспечивает то, что в ней никогда нет дубликата. Этот процесс основывается на фундаментальном принципе в квантовой механике, который можно назвать «Нет клонированию»: невозможно сделать копию случайного (неизвестного) квантового состояния.

Этот запрет приводит к проблемам, связанных с исправлением ошибок в квантовых компьютерах, а также делает технологию квантовой криптографии, благодаря которой невозможно незаметно перехватить сообщение, закодированное в квантовые состояния.

Принцип «Нет клонированию» — это нечто большее, чем техническое осложнение квантовой информационной технологии. Некоторые исследователи подозревают, что это не просто последовательность правил квантовой механики, а глубокая, почти фундаментальная аксиома, благодаря которой появляются контринтуитивные квантовые феномены, такие как запутанность.

Так что именно передается через квантовую телепортацию? Это сложный вопрос для квантовой информационной теории. Не понятно, что мы имеем здесь в виду под словом «информация». Как и в случае других разговорных слов, заимствованных наукой, легко представить, что мы имеем под ними в виду, но трудно объяснить. То, что передается путем квантовой запутанности, не является информацией в смысле информационной теории Клода Шеннона (в которой ее можно вычислить в терминах энтропии, которая возрастает, когда сообщение становится более случайным), ни информации в смысле офисного напоминания (в котором информация приобретает смысл только в правильном контексте). Поэтому, собственно, о чем эта информация?

Эта проблема лежит в самой сердцевине квантовой информационной теории. Или это информация, например, про какую-то объективную реальность или наше вмешательство в нее? Универсальная ли она для всех наблюдателей или персональная для каждого из них? Можно говорить про квантовую информацию, словно жидкость, что течет в трубе с места на место? Никто не имеет ответов на эти вопросы. Если бы мы могли бы ответить на них, мы, наконец, приблизились к разгадке того, что означает квантовая механика.

Поэтому настоящая странность квантовой телепортации касается даже не того, для чего мы можем использовать эту технологию, а того, что она открывает нам про квантовую структуру природы.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Самые популярные метки