В 1927 году два великих физика — Альберт Эйнштейн и Нильс Бор — крепко поспорили на научном конгрессе. Бор утверждал, что все явления в квантовой механике описываются со статистической вероятностью и нет возможности точно измерить характеристики частиц, не оказав на них влияния самим фактом измерения. Эйнштейн же придерживался принципов классической физики, невзирая на то, что своей теорией относительности перевернул ее с ног на голову, и утверждал, что в квантовом мире возможно такое же измерение, не связанное с наблюдателем, что и в макромире. Именно тогда прозвучала знаменитая фраза Эйнштейна о том, что бог не играет в кости.
Играет ли бог в кости?
Чтобы доказать свою правоту, в 1935 году Эйнштейн совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал статью (pdf) «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным»? В ней был сформулирован так называемый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена. Он заключался в том, что если бы постулаты квантовой механики были верны, то информация от одной частицы до другой передавалась бы мгновенно, даже быстрее скорости света. А это невозможно.
Ирония в том, что парадокс, которым пытались доказать неполноту квантовой механики, оказался открытием одного из фундаментальных свойств нашей Вселенной — квантовой запутанности. Окончательно все стало на свои места после экспериментов Джона Клаузера и Алана Аспе, проведенных в 1970–80-х годах. Они подтвердили, что информация о квантовых состояниях действительно передается мгновенно.
Что же такое квантовая запутанность? Это такое явление, при котором характеристики провзаимодействовавших друг с другом частиц оказываются связаны друг с другом. Классическая иллюстрация этого принципа включает в себя спин (момент импульса частицы), фотоны и носки. Например, у нас есть два запутанных фотона. У фотонов может быть два спиновых состояния: +1 и -1. Если мы измерим спин одного из фотонов и он окажется +1, то спин другого фотона станет -1. Мгновенно, не зависимо от того, как далеко находится этот фотон, пусть даже за миллиард световых лет. Как только мы наблюдаем характеристику одной элементарной частицы (или частиц, или атомов), мы сразу же изменяем характеристику запутанных с ними.
На примере носков это выглядит следующим образом. Перед нами лежит пара носков, и мы не можем сказать, какой из них левый, а какой правый. Если мы один из них отвезем в Москву, а другой — в Нью-Йорк, то, когда московский носок мы наденем на левую ногу, нью-йоркский моментально станет правым.
Квантовая запутанность кажется контринтуитивной, но именно так устроен наш мир. С этим, видимо, просто нужно смириться и не пытаться понять.
Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя «Да как же это возможно?» — так как вас занесёт в тупик, из которого ещё никто не выбирался.
Ричард Фейнман, американский физик, один из создателей квантовой электродинамики
Передаем по цепочке
Каким же образом можно использовать квантовую запутанность для телепортации? Допустим, у нас есть три фотона — первый, второй и третий, причем второй и третий находятся в состоянии запутанности. Задача — передать информацию от первого фотона к третьему.
Для этого мы заставляем первый и второй фотон провзаимодействовать — так они тоже оказываются запутанными. Теперь, если мы измерим характеристику первого фотона, то она повлияет на характеристику второго фотона, а значит, и третьего, ведь он запутан со вторым. При этом третий фотон станет точной копией первого. Таким образом мы передали информацию от первого фотона к третьему.
Здесь, конечно, должен возникнуть вопрос: но это ведь не вполне телепортация, которую показываются в фантастике. Мы не переместили первый фотон, мы сделали третий фотон таким же, как и первый. Что ж, это правда. Квантовая телепортация не перемещает частицы в пространстве. Она перемещает информацию о них, но зато мгновенно. К тому же квантовая телепортация — это уже осуществленная на практике технология.
В 1997 году статья об эксперименте по квантовой телепортации, проведенной исследователями из Инсбрукского университета под руководством Анатоля Цайлингера. Практически одновременно с ними такой же опыт провела группа Франческо де Мартини из «Сапиенца — Римского университета». Ученые смогли передать информацию о поляризации фотона.
В 2004 году сразу двум группам ученых удалось телепортировать квантовое состояние целого атома, а в 2006-м — передать информацию от света к материи. Однако расстояние все еще остается ограниченным: рекорд — 1200 км, установленный китайскими учеными в 2017 году.
Но какой практический смысл в том, чтобы телепортировать квантовые состояние? Ведь в самом по себе изменении характеристик элементарных частиц нет никакой пользы. Однако специалисты видят потенциал телепортации в области квантовых компьютеров и создании квантовых ключей шифрования. Существующие технологии квантового шифрования не могут передать ключи на большое состояние из-за того, что фотоны теряются по пути. Повторители, основанные на квантовой телепортации, позволят решить эту проблему.