Минулого тижня у ВВС з'явився заголовок: «Уперше об'єкт телепортували на земну орбіту». Це повідомлення, можливо, найфантастичніше з того, що ви прочитали протягом року. Майбутнє, яке так часто обіцяла наукова фантастика, здається, вже стає реальністю. Насправді не все так просто.
Китайські науковці телепортували квантовий стан фотона з Землі на супутник на низькій навколоземній орбіті.
Мовиться про повідомлення китайських науковців, які заявляють, що їм вдалося передати квантовий стан фотона на Землі до іншого фотона на супутнику на низькій навколоземній орбіті (приблизно за 1400 км). Уперше це явище продемонстрували в лабораторії 20 років тому, і його назва – квантова телепортація.
Непосвячених назва може увести в оману. В докладному описі експерименту у виданні Discover йшлося про те, що вчені «успішно перенесли квантові заплутані частинки». Це супроводжує дещо туманне пояснення про те, що «на відміну від телепортації в науковій фантастиці, нічого фізичного не було переміщено».
Але хіба інформація не фізична? Фізичну природу інформації обґрунтовував ніхто інший, як фізик Рольф Ландауер, один зі засновників інформаційної теорії. Якщо ви не відправляєте нічого фізичного, то як ви взагалі можете щось відправити з точки А в точку Б?
Це — одна з глибоких проблем, про яку досі сперечаються фізики та філософи. Ми можемо дискутувати про те, чи квантова телепортація — це влучний термін, який описує наукову ідею, чи, може, тільки гучна бульбашка, що вводить в оману. Але справжнє питання — що саме передається під час квантової телепортації і як? — стосується набагато глибших наукових проблем.
Коли фізики Ешер Перес та Вільям Вутерс ще в 1993 р. вирішили назвати це явище «телеферезом», малоймовірно, що ми б побачили заголовки в пресі з таким словом. Їхній співавтор Чарльз Беннет запропонував гучніший термін «квантова телепортація».
Цей процес можна називати по-різному, але суть його така: він стирає квантовий стан в однієї частинки і переносить його на іншу, ідентичну їй. Наслідки цього процесу неможливо відрізнити від справжньої телепортації частинки з точки А в точку Б. Тобто насправді фізичного переміщення немає, але зовні виглядає так, наче воно відбулося. Ключовим, однак, тут є те, що все це працює тільки тоді, коли ви не знаєте, яку «інформацію» передаєте, тобто який квантовий стан оригінальної частинки.
Телепортація квантового стану ґрунтується на явищі квантової заплутаності. Коли дві або більше частинок заплутані між собою, їхні квантові стани взаємозалежні, незважаючи на відстань між ними. Вони, власне, діють як єдиний квантовий об'єкт, який описує одна й та сама хвильова функція.
Процес розпочинається із заплутання пари частинок з метою встановлення між ними квантового комунікаційного каналу. Частинку А утримує відправник (назвемо його Еліс), а В відправляється одержувачу (Бобу). Оскільки частинки заплутані і, отже, взаємозалежні, якщо Еліс виконує фізичну операцію на своїй частинці, вона в ту ж мить відображається на частинці в Боба. Але в Еліс є ще й третя частина С: її квантового стану вона не знає, але хоче телепортувати його Бобу.
Щоб виконати цю процедуру, Еліс проводить спеціальне вимірювання, назване вимірюванням Белла, разом на частинках А і С. Це, власне, не повідомляє її про стан, в якому перебує С. Але, через заплутаність між А і В, В тепер може трансформуватися у стан, який оригінально був у С, якщо Боб проведе правильну операцію. Провівши вимірювання, Еліс стерла цей стан в самої С.
Але яку операцію має провести Боб, щоб завершити телепортацію? Він може зробити висновок про це за результатами Елісового вимірювання Белла. Вона має повідомити йому цей результат якимсь класичним способом — е-мейлом, телефоном чи хоча б поштовим голубом. Як тільки він отримує його, Боб знає, що потрібно зробити, аби перевести В в оригінальний стан С.
Загальнопоширеним є погляд, що квантова телепортація — це новий спосіб передачі інформації, такий собі різновид високошвидкісного Wi-Fi. Але найдивнішим в цьому є те, що інформація відправляється моментально, тобто швидше за світло, адже тільки так комунікують дві заплутані частинки.
Але хіба цього не забороняє спеціальна теорія відносності Альберта Ейнштейна? Так, і ця заборона пов’язана з самою суттю заперечення Ейнштейна проти явища квантової заплутаності (яке він називав «моторошною дією на відстані»). Власне, спеціальна теорія відносності накладає заборону на причинно-наслідковий зв'язок зі швидкістю, більшою за швидкість світла: подія в одному місці не може мати фізичних спостережуваних наслідків в іншому місці швидше, ніж відстань між двома місцями подолає промінь світла. Але квантова телепортація не переносить причинно-наслідкового зв'язку зі швидкістю, більшою за швидкість світла, оскільки, щоб завершити процес, вам також потрібний класичний канал, обмежений принаймні до швидкості світла.
Ключовим тут є те, що цей неповторний стан ніколи не вимірюється безпосередньо. Саме те, що ця інформація залишається прихованою під час телепортації і знищується в оригіналу, забезпечує те, що в неї ніколи немає дублікату. Цей процес ґрунтується на фундаментальному принципі в квантовій механіці, який можна назвати «Ні клонуванню»: неможливо зробити копію випадкового (невідомого) квантового стану.
Ця заборона призводить до проблем, пов'язаних з виправленням помилок в квантових комп'ютерах, а також уможливлює технологію квантової криптографії, завдяки якій неможливо непомітно перехопити повідомлення, закодоване в квантові стани.
Принцип «Ні клонуванню» — це щось більше, ніж технічне ускладнення квантової інформаційної технології. Деякі дослідники підозрюють, що це не просто послідовність правил квантової механіки, а глибока, майже фундаментальна аксіома, завдяки якій з'являються контрінтуїтивні квантові феномени, такі як заплутаність.
Тож що саме передається через квантову телепортацію? Це складне питання для квантової інформаційної теорії. Не зрозуміло, що ми маємо тут на увазі під словом «інформація». Як і у випадку інших розмовних слів, запозичених наукою, легко уявити, що ми маємо під ними на увазі, але важко пояснити. Те, що передається шляхом квантової заплутаності, не є інформацією у сенсі інформаційної теорії Клода Шеннона (у якій її можна обчислити у термінах ентропії, яка зростає, коли повідомлення стає більш випадковим), ані інформацією в сенсі офісного нагадування (в якому інформація набуває сенсу лише в правильному контексті). Тож, власне, це інформація про що?
Ця проблема лежить в самому осерді квантової інформаційної теорії. Чи це інформація, наприклад, про якусь об'єктивну реальність або про наше втручання в неї? Чи вона універсальна для всіх спостерігачів, чи персональна для кожного з них? Чи можна говорити про квантову інформацію, наче про рідину, що тече в трубі з місця на місце? Ніхто не має відповідей на ці питання. Якщо ми могли б відповісти на них, ми б нарешті наблизилися до розгадки того, що означає квантова механіка.
Тож справжня дивина квантової телепортації стосується навіть не того, для чого ми можемо використати цю технологію, а того, що вона відкриває нам про квантову структуру природи.
Philip Ball
Quantum teleportation is even weirder than you think
Nature 20/07/2017
Зреферував Євген Ланюк
23.07.2017