Международная команда исследователей получила важный теоретический результат во время исследования технологии мгновенного перемещения. Ученые обнаружили, что квантовая телепортация — процесс перемещения квантовой информации со скоростью света, который в теории может быть использован для телепортации макроскопических объектов и даже людей, — может быть гораздо более энергоэффективной, чем считалось ранее.
Как работает телепортация?
На протяжении большей части двадцатого века ученые отрицали возможность телепортации, воспринимая ее исключительно как несбыточную мечту фантастов. Проблема заключалась в подходе. Ученые полагали, что единственно возможный путь для достижения этой цели заключается в измерении положения и кинетической энергии каждого отдельного атома, из которых состоит телепортируемый объект. Затем данные предавались бы в пункт назначения с использованием классической (не квантовой) информации и, наконец, объект восстанавливался бы на основе набора полученных «инструкций». Ученые говорили, что первый шаг – идеально точное измерение частицы — невозможен из-за принципа неопределенности Гейзенберга.
Однако в 1993 году было доказано, что телепортация в принципе возможна при условии уничтожения исходного объекта. Механизм обходит принцип неопределенности Гейзенберга, используя одну из многих причуд квантовой механики – явление, которое называется «квантовая запутанность» (квантовая нелокальность, «Квантовое Вуду»). Запутанность имеет место, когда пара частиц, таких как электроны и протоны, неразрывно связываются друг с другом. После достижение этого состояния, две частицы будет поддерживать синхронизацию, вне зависимости от того находятся ли они рядом друг с другом или на противоположных концах Вселенной. Пока сохраняется запутанность, если одна частица изменяет свое состояние, другая мгновенно это повторит.
Квантовая телепортация не передает энергию или вещество на расстояние. При этом передача информации между точками отправления и приема по классическому каналу может осуществляться не быстрее, чем со скоростью света, тем самым не нарушая принципов современной физики. Как и следовало ожидать, эта теория довольно трудна для восприятия, но давайте рассмотрим все на примере. Представьте себе, что у нас есть объект «А», который мы хотим телепортировать. У нас также есть «B» и «C», которые запутаны друг с другом, но не с «А». Теперь давайте поместим объект «B» на передающую станцию рядом с «А», а объект C на приемную станцию.
Еще в 1993 году ученые обнаружили, что они могут просканировать «А» и «B» вместе, извлекая часть информации об «А». Сканирование приводит к возникновению квантовой связи между А и Б, а так как «B» и «C» запутаны, все остальная информация мгновенно передается «C». С использованием лазеров, волоконной оптики или любых других традиционных средств связи передающая станция может отправить частичную информацию об «А», которую она собрала, на принимающую станцию. Теперь вся информация об «А» находится на приемной станции, и объект «C» может быть воссоздан в качестве идеальной копии оригинала «B». Объект «А» будет уничтожен в процессе опыта — значит, мы стали свидетелями телепортации, а не репликации.
Одна из предпосылок телепортации заключается в том, что «B» и «C» должны изначально тесно взаимодействовать, чтобы создалось запутанное состояние. А затем одна из частиц должна быть доставлена в пункт назначения. Это означает, что мы можем телепортировать те или иные объекты только в места, которые посещались нами раньше, а не, скажем, в другие галактики или планеты, где нас никогда не было.
Как уже упоминалось, система работает, потому что «B» и «C» запутаны. Но есть проблема: с течением времени запутанное состояние постепенно истощается. Оно может быть продлено при наличии повторного взаимодействия «B» и «C», но это означает, что частицы /объекты придется транспортировать вручную (без телепортации), а затем снова отправлять одну из них на станцию сборки. Идея состоит в том, что одно длительное путешествие может обернуться множеством мгновенных перемещений в будущем.
Пять лет назад, физики придумали альтернативный подход к телепортации, который работает быстрее, потому что не требует коррекции «C», но является очень непрактичным, потому что запутанное состояние разрушается каждый раз, когда передается нужная информация. Но в обоих случаях запутанные частицы могут рассматриваться как «топливо», позволяющее осуществлять телепортацию.
«Энергоэффективная» телепортация
На днях группа физиков из Кембриджа, Университетского колледжа Лондона и Университета Гданьска работала механизм, позволяющий «повторно использовать» запутывание в целях повышения эффективности связей между частицами. Они разработали два протокола, которые обобщают известные методы квантовой телепортации. Ученые создали оптимальное решение, в котором запутанное состояние сохраняется намного дольше, позволяя осуществить телепортацию нескольких объектов и устраняя необходимость в коррекции ошибок. Первый из этих протоколов может быть использован для телепортации квантовых состояний последовательно, а второй позволяет телепортировать несколько состояний одновременно, что значительно ускоряет процесс и представляет особый интерес для применения в квантовых вычислениях.
Напомним, что расстояние телепортации не имеет значения, когда две частицы запутаны. Но на данный момент мы способны сохранять такое состояние в течение очень короткого периода времени. Это означает, что на практике, ученые должны создать запутанное состояние между частицами «B» и «C», а затем как можно быстрее доставить их на станции получения и отправки, прежде чем этот состояние истощится. Потери фотонов и декогеренция квантовых систем во время передачи информации растут с увеличением расстояния, что усложняет телепортацию. Но ученые активно решают эту проблему.
Станет ли телепортация людей реальностью? Вполне возможно, но предстоит еще много работы. Тем не менее, успехи уже есть. В ноябре прошлого года группе китайских ученых удалось добиться телепортации макроскопического объекта из 100 миллионов атомов рубидия с точностью, которая приближается к 90 процентам. Кроме того, в 2012 году китайцы из другой группы передали 1100 запутанных фотонов на расстояние 97 километров, а физики из Университета Вены и Академии наук Австрии установили новый рекорд дальности квантовой телепортации — 143 километра. С другой стороны эти достижения – ничто, если переводить их в масштаб человеческого тела, которое состоит бесчисленного количества частиц материи, каждая из которых должна быть телепортирована с крайней точностью.
Использованы материалы Physical Review Letters, Кембриджского университета и IBM
Фото: Physical Review Letters ©
