Квант. Путеводитель для запутавшихся

Квантовая телепортация

Миллионы фанатов по всему миру знают, что «транспортер» на борту звездолета «Энтерпрайз» из «Звездного пути» представляет собой устройство, которое переносит команду корабля на различные планеты и обратно, не создавая их идентичные копии, а уничтожая их и воссоздавая неуточненным образом. Так как это всего лишь научная фантастика, в детали никто не вдается, однако не сомневаюсь, у истинных фанатов уже давно готово подходящее объяснение.

Основная идея телепортации заключается в сканировании объекта таким образом, чтобы переносилась чистая информация, используемая для воссоздания оригинала из подходящего сырья (верного типа атомов) в точке назначения. Такой процесс может происходить со скоростью света, в то время как физический перенос оригинальных атомов объекта занимает гораздо больше времени. Преимущество кажется сомнительным, пока в дело не вступают огромные расстояния, где без скорости света не обойтись.

Вам может показаться, что все это чепуха. Что ж, до 1993 года так и было. В тот год Чарльз Беннетт при участии группы коллег со всего мира доказал, что благодаря квантовой механике идеальная телепортация теоретически возможна, хотя пока что только на квантовом уровне. Прежде считалось, что телепортация квантовой системы исключается принципом неопределенности: мы не можем просканировать квантовую систему и собрать всю возможную информацию о ней, чтобы воссоздать ее в другом месте. Это, конечно, так, но при добавлении нового ингредиента эту проблему получается обойти, а этим ингредиентом выступает… запутанность. Снова.

Основная идея такова. Пусть частица, которую нужно телепортировать из точки А в точку Б, называется частицей х. В устройстве также содержится две подобные частицы, у и z. Две этих частицы запутаны и направлены в точки А и Б. Теперь в точке А находится оригинальная частица х, которую мы хотим телепортировать, а также частица у. Определенным способом измерив их вместе, мы получаем некоторую информацию об х. Остальная часть информации об х неизбежно теряется, так как принцип неопределенности не позволяет нам знать о ней все одновременно.

Однако факт измерения теперь привел к коллапсу запутанного состояния у и z и наделил частицу z, находящуюся в точке Б, информацией, которая связана с информацией, потерянной при измерении х вместе с у.

Информация, которую мы получили при сканировании х, теперь переносится в точку Б более традиционным способом и вместе с той информацией, которая уже находится в частице z, это дает нам всю информацию, необходимую нам в точке Б. Теперь мы можем зашифровать эту информацию в подобную х частицу и получим, по сути, точно воссозданную в точке Б частицу х.

Разница между квантовой телепортацией и обычной передачей факса.

Вверху: Когда изображение передается при помощи факса, оригинальный лист остается неповрежденным и создается лишь приблизительная копия.

Внизу: При квантовой телепортации теряется вся информация об оригинальной частице, но на другом конце создается ее идентичная копия.

Важно подчеркнуть, что квантовая телепортация не предполагает какой-то мгновенной нелокальной транспортировки, поскольку часть информации, необходимой для реконструкции квантовой системы в конечной точке, по-прежнему приходится переносить классическим образом (то есть не быстрее скорости света). Но красота этого метода заключается в том, что остаток информации, который теряется в процессе сканирования/измерения и который, как считалось, нам не позволит узнать принцип неопределенности, подлежит восстановлению в конечной точке благодаря нелокальной связи запутанных частиц.

Мне также следует подчеркнуть, что, получая всю информацию, мы не просто создаем копию оригинальной частицы. Мы изменяем ее квантовое состояние – посредством измерения – и воссоздаем ее снова. Нам не нужно физически переносить саму частицу, поскольку нам достаточно и квантовых атрибутов – нам достаточно информации. Две квантовых частицы в одинаковом квантовом состоянии поистине идентичны таким образом, который не имеет аналогов в классическом мире. Поэтому перенос всего информационного содержания квантовой частицы равносилен переносу самой частицы.

Само собой, в масштабах, необходимых для телепортации человека, все становится гораздо сложнее. Можете ли вы представить степень запутанности, которая нужна для переноса полного квантового состояния всех частиц в наших телах? Только подумайте, какую головную боль доставит нам декогеренция!

Никто не может предсказать, насколько быстро в будущем пойдет развитие в этом направлении. Некоторые физики полагают, что у нас не получится даже построить квантовый компьютер, в то время как другие уверены, что до его появления осталось от силы лет десять.

Как бы то ни было, в одном сомнений нет: мы еще не прощаемся с квантом.

Нас ждет светлое будущее. Нас ждет Квант.