В научно-фантастической литературе и фильмах можно наблюдать, как космические корабли, оборудованные варп-двигателем, путешествуют по Вселенной: достаточно нажать на волшебную красную кнопку, чтобы оказаться на другом конце Галактике. Наверное, каждый из нас хоть раз мечтал стать командиром такого «волшебного судна», однако далеко не все задумывались, существует ли на самом деле телепортация или это всего лишь несбыточная фантазия из сказочного мира, которую в ярких красках рисуют фантасты? Каковы научные обоснования данного явления? Был ли зафиксирован факт перемещения? Вопросов всегда больше, чем ответов, но попробовать разобраться в этой теме будет интересно каждому современному человеку.
Немного теории
Слово «телепортация» происходит от греческого «tele» («далеко») и латинского «portare» («нести»). Данное явление представляет собой молниеносное перемещение объектов на расстоянии (из одной точки пространства в другую) посредством изменения их изначальных координат. При телепорте невозможно описать траекторию перемещаемого объекта непрерывной функцией времени: переход является мгновенным, объекты не должны занимать промежуточных положений. Это не просто перемещение стакана из пункта «А» в пункт «Б». Это – телепортация состояния объекта, его свойств.
На данный момент ученые выделяют три основных гипотетических вида:
- квантовая;
- пси-телепортация;
- дырочная (кротовые норы).
Квантовая телепортация запутанных частиц – достаточно изученная форма явления, о которой получены вполне определенные научные сведения. Если взять в качестве примера тот же стакан, то для того, чтобы его телепортировать с одного конца стола на другой, потребуется разделить указанный объект на элементарные частицы, изменить свойства каждого полученного «фрагмента», после чего уже на противоположной стороне стола собрать разрозненные частички (с аналогичными свойствами) воедино, чтобы получить новый стакан, но с идентичными характеристиками. Химический состав граненого стакана достаточно простой, но что будет, если попытаться телепортировать человека, который состоит из 1030 частиц?
Учитывая рекордную скорость передачи информации, которая на данный момент зафиксирована на уровне 1014 бит в секунду, для телепорта одного человека потребуется потратить 1 млн. лет. На практике все усугубляется сложностью строения человеческого организма: существует определенный риск нарушения «сборки» на конечном этапе перемещения.
Это интересно! В качестве яркой иллюстрации того, к каким последствиям могут привести малейшие нарушения в технологии телепортации, можно привести фильм «Муха» режиссера Дэвида Кроненберга.
Суть явления
Квантовая телепортация представляет собой «перемещение» не энергии, не физических объектов (дерева, стакана и т.д.), а свойств указанных объектов (так называемых «квантовых состояний»). Однако передача данных в классическом понимании в данном случае не работает. По общему правилу, для успешной транспортировки состояния объекта реального мира (или информации) необходимо учесть невероятное количество измерений, которые разрушают изначальное квантовое состояние предмета (если у «отправителя» отсутствует возможность повторного измерения его первоначальных свойств на конечной стадии телепорта). На помощь приходит квантовая телепортация, которая позволяет передать определенное состояние объекта, не нарушая его изначальных свойств (называется кубитом, или «квантовым битом»).
Существенной проблемой, препятствующей успешному осуществлению экспериментов в этой области, являются определенные сложности в фиксации разрозненных частиц, которые не являются статичными и постоянно меняют свои свойства. Если говорить простым языком, то измерять уникальные характеристики экспериментального объекта абсолютно бессмысленно, когда речь идет о передачи данных на расстоянии. Однако указанные свойства способны воспроизводить иные частицы – так называемые фотоны (безмассовые частицы, существующие в вакуумном пространстве только при условии их движения со скоростью света).
Механизм телепорта
Чтобы понять, как происходит квантовая телепортация, необходимо ознакомиться с огромным списком научной литературы. Для начала следует рассматривать упрощенную квантовую систему, в которой присутствует только два возможных состояния (А и В). Возьмем две частицы (назовем их α и Ω). У отправителя есть некая частица α с произвольным квантовым состоянием, равным α А + Ω В. Перед отправителем стоит задача – передать указанное состояние α частице Ω таким образом, чтобы совершенно иной объект Ω приобрел аналогичные свойства. То есть нужно передать отношение комплексных чисел А и В с предельной точностью. Ключевой целью «передающего» является транспортировка информацию не с упором на скорость, а с акцентом на максимальную точность.
В общем виде можно обозначить основные этапы достижения заявленной цели:
- Стороны создают 2 квантово-запутанных кубита (С и В). С передается отправителю, соответственно, В направляется в адрес получателя. Из-за сложной структуры С и В имеют уникальные волновые функции (так называемый вектор состояния). Несмотря на данный факт, пару частиц (нужные «степени свободы») можно описать 4-мерным вектором состояния – μВС.
- Квантовая система, состоящая из 2 частиц – А и С, имеет 4 состояния. Для описания подобных состояний нужно воспользоваться неким вектором. При этом использовать «чистый» вектор (100% определенный) невозможно, так как определенным состоянием обладают только системы, состоящие из 3-х элементов – системы частиц А, В и С. Если отправитель решится на измерение вектора, то он получит 4 возможных исхода (4 потенциальных значения измеряемой величины) над системой из 2-х элементов (для А и С). Непосредственно в момент измерения системы А, В, С осуществят переход в другое состояние, при этом состояние А и С станет известным, что нарушит сцепленность частицы B, которая перейдет в особое квантовое состояние.
- В момент такого перехода произойдет «передача» части информации. На этом этапе невозможно восстановить телепортируемые сведения, так как у получателя данных есть лишь понимание о том, что частица B имеет состояние, связанное с А, но какое оно конкретно – неизвестно (явная нехватка сведений).
- Для выяснения связи состояний первоначальной частички А с полученной «на выходе» B нужно, чтобы отправитель передал получателю исчерпывающие сведения об измерении по используемому классическому каналу связи (затратив 2 бита). Изучив законы квантовой механики, станет ясно, что при наличии конкретного результата измерения, полученного при анализе частиц А и С, а также «запутанного» элемента В с частицей С, получатель в теории способен выполнить нужное преобразование над «выходной» частичкой В, чтобы «передать» указанному объекту состояние от А.
Полная передача сведений от одного объекта к другому возможна лишь в том случае, если получатель такой информации будет обладать исчерпывающими данными, полученными по обоим каналам связи. Если использовать лишь классический канал связи, то получатель не будет иметь ни малейшего представления о переданном состоянии. Еще одной особенностью данного процесса является невозможность перехвата данных со стороны третьих лиц: при попытке получить несанкционированный доступ к передаваемой информации «злоумышленник» разрушит квантовые связи (нарушит «запутанность» между парами В и С).
Можно представить сложный процесс иным способом:
- Допустим, есть некий красный фотон, который был разбит на два зеленых. Зеленые фотоны имеют между собой настолько сильную связь, что в случае их перемещения на значительное расстояние и при изменении любой характеристики одного из указанных объектов второй зеленый фотон даст немедленную реакцию.
- Берем неопределенную частичку стакана, перемещаем ее свойства, не заглядывая внутрь частицы (выбор частицы происходит «вслепую», без малейшего понимания свойств объекта со стороны экспериментатора), и «переносим» указанные сведения на ближайший из двух зеленых фотонов. Имеет место неопределенность фактического результата, так как переданные свойства могут иметь одно из многих значений первоначального «носителя информации», т.е. стакана. Какое именно значение (состояние) получит первый зеленый фотон – остается загадкой.
- Второй зеленый фотон, расположенный на другом конце стола, дает моментальную реакцию на действия «брата-близнеца» и производит измерение заранее приготовленной частицы в зоне взаимодействия. Последняя передает экспериментатору сведения о завершении передачи информации. Однако такая информация отличается от первоначальной, поскольку в любом квантовом процессе существует определенная доля вероятности. Чтобы избежать искажения свойств объекта, нужно получить исчерпывающие сведения об их источнике (стакане). Только после получения таких данных можно верно интерпретировать свойства полученной «на выходе» частицы. Нужные сведения передаются по стандартным каналам связи.
Реальные факты
Если рассматривать историю развития телепорта, то следует отметить следующие важные события, повлиявшие на ход развития технологии:
- в 1993 году группа ученых из Америки во главе с Чарльзом Беннеттом представила миру теоретические аспекты нового «явления» – «квантовой телепортации»;
- уже в 1997 году две группы ученых-физиков из университетов Рима и Инсбруке во главе Франческо де Мартини и Антона Цайлингера провели первый эксперимент в данной области, а именно реализовали квантовое «перемещение» поляризационного состояния фотона;
- согласно данным публикации в журнале «Nature» от 17.06.2004 г. две исследовательские группы объявили о реализации телепорта квантовых состояний атома кальция и кубита на базе иона атома бериллия. Эксперименты не являются неким «прорывом», но в то же время позволили сделать шаги на пути к созданию квантовых ЭВМ и внедрению в повседневную жизнь технологий квантовой криптографии;
- в 2006 году исследователи из Института Нильса Бора (Копенгаген) впервые выполнили телепортацию между атомами цезия и квантами лазерного излучения, т.е. между объектами разной природы;
- в 2009 году ученые «переместили» квантовое состояние иона на целый метр;
- в 2010 году совместными усилиями ученых из двух университетов КНР были впервые переданы характеристики фотона на 16 км;
- в 2012 году физики из Китая за каких-то 4 часа «отправили» 1100 квантово-запутанных фотонов на 97 км;
- в 2015 году у ученых из США получилось осуществить перемещение фотонов по оптоволокну на дистанцию более 1000 км при помощи однофотонного детектора с особыми кабелями;
- в конце 2017 года Интернет пестрил громкими заголовками о том, что физики из Китая впервые в истории осуществили межконтинентальный телепорт с использованием квантового спутника «Мо-Цзы» на расстояние более 1200 км;
- в 2016 г. Российский квантовый центр продемонстрировал новейшую разработку, примененную на 30 км оптоволокна на линиях Газпромбанка.
Перспективы технологии
Логично предположить, что на текущем уровне развития науки и техники перемещение целого стакана – задача невыполнимая: осуществить телепорт такого простого объекта хотя бы на 1 мм без нарушения первоначальных свойств предмета нереально. Поэтому подобные технологии в настоящее время используются не для физических объектов, а для информации, что успешно практикуется в криптографии и сфере защиты данных.
При передаче данных в рамках технологии «quantum teleportation» передается не «полезная» информация, а специальный «ключ». Существенным недостатком новейшей технологии является тот факт, что создать копию фотона нельзя. Усилить квантовый сигнал оптоволокна (как в случае с обычным сигналом) также невозможно, ведь подобное усиление будет принято за некий «перехватчик».
В лабораторных условиях можно производить телепорт на расстояние около 327 км. И чем больше расстояние, тем ниже скорость передачи данных. Указанную проблему можно решить при помощи установки специального промежуточного сервера для получения, расшифровки и шифрования данных с последующей передачей в рамках единой криптографической сети (что умело используется китайскими и американскими учеными).