Физика невозможного

Много лет эксперимент ЭПР приводили как яркий пример торжества квантовой теории, но торжество получалось бесплодным и не давало никакой практической выгоды. До недавнего времени.

Квантовая телепортация

Все изменилось в 1993 г., когда ученые из IBM [10] под руководством Чарльза Беннетта продемонстрировали всем принципиальную возможность телепортировать с использованием эксперимента ЭПР материальные объекты, по крайней мере на атомном уровне. (Точнее говоря, они продемонстрировали возможность передачи полной информации о частице.) За прошедшие годы физики научились передавать фотоны и даже целые атомы цезия. Возможно, через несколько десятилетий ученые смогут телепортировать первую молекулу ДНК и первый вирус.

10

Предположим на мгновение, что можно телепортировать макроскопические объекты, включая и людей. При этом возникает немало тонких философских и теологических вопросов о том, что происходит с «душой» при телепортации человека. Если вы мгновенно перемещаетесь из одного места в другое, то переносится ли вместе с вами и ваша душа?

Патрик Келли в рассказе «Думать как динозавр» исследовал еще один вопрос этики, связанный с телепортацией. Сюжет рассказа строится на том, что женщина готовится к телепортации на другую планету, но в процессе передачи сигнала возникает сбой. В результате тело путешественницы не уничтожено, нетронутыми остались и ее эмоции, а в месте назначения возникла ее точная копия, которая, естественно, отказывается войти в кабинку для телепортации и быть уничтоженной. Возникает кризис, поскольку хладнокровные инопланетяне, снабдившие человечество этой технологией, рассматривают проблему под чисто практическим углом: для поддержания равновесия одна из копий должна быть уничтожена. Подверженные эмоциям люди не могут так легко разрешить эту дилемму.

В большинстве фантастических произведений телепортация преподносится как благо. А вот Стивен Кинг в рассказе «Долгий джонт» рассмотрел опасные побочные явления, которыми он может сопровождаться. В будущем телепортация стала обычным явлением и получила название «джонт». Рассказ начинается с того, что отец перед телепортацией на Марс рассказывает детям историю открытия джонта. Ученый, первым обнаруживший это явление, телепортировал мышей, но благополучно переносили телепортацию только те мыши, которых предварительно усыпили. Мыши, бодрствовавшие во время переноса, умирали страшной смертью. Поэтому людей всегда усыпляют перед телепортацией, это обычная процедура. Единственным человеком, прошедшим через телепортацию в состоянии бодрствования, стал приговоренный преступник, которому за участие в эксперименте было обещано полное прощение. Но после телепортации он умер от обширного инфаркта, успев произнести только: «Там вечность».

К несчастью, сын этого человека так заинтересовался этой таинственной историей, что решил задержать дыхание и не спать. Результат оказался трагичным. После телепортации мальчик внезапно сошел с ума. У него побелели волосы, глаза пожелтели, он пытается выцарапать себе их. Тайна раскрыта. Если вещество при телепортации переносится мгновенно, то для сознания путешествие занимает целую вечность; время представляется бесконечным, и человек лишается рассудка.

Квантовая телепортация использует одну из самых причудливых особенностей эксперимента ЭПР. В своих экспериментах физики начинают с того, что берут два атома, А и С. Предположим, мы хотим телепортировать информацию от атома А к атому С. Для этого мы вводим третий атом В, запутанный с атомом С (т. е. В и С когерентны). Затем атом А вступает в контакт с атомом В и «сканирует» его таким образом, что информационное содержание атома А передается атому В. В ходе этого процесса атомы А и В запутываются. Но поскольку первоначально В был запутан с атомом С, теперь информация, содержавшаяся в А, передается также и в атом С. Результат таков: атом А был телепортирован в атом С, т. е. теперь информационное содержание А идентично информационному содержанию С.

Обратите внимание на то, что информация, содержавшаяся перед началом эксперимента в атоме А, была уничтожена (т. е. после эксперимента мы не получаем двух идентичных копий). Это означает, что если представить себе телепортацию человека, то человек этот должен будет умереть в процессе передачи. Но зато информационное содержание его тела появится где-то в другом месте. Обратите внимание также на то, что атом А как таковой не переместился на позицию атома С. Напротив, С получил от А только информацию, которая в нем содержалась, например характеристики спина и поляризации. (Это не означает, что атом А был разобран и перенесен на другое место. Это означает, что информационное содержание атома А было передано другому атому — С.)

После первого объявления о прорыве между разными группами ученых началось яростное соревнование. Первая историческая демонстрация, в ходе которой осуществлялась телепортация фотонов ультрафиолетового света, состоялась в 1997 г. в Университете Инсбрука. Через год экспериментаторы из Калифорнийского технологического института провели еще более точный эксперимент по телепортации фотонов.

В 2004 г. физики Венского университета сумели телепортировать частицы света на расстояние 600 м под рекой Дунай по оптоволоконному кабелю, установив таким образом новый рекорд. (Сам кабель имел длину 800 м и был протянут под Дунаем ниже системы городской канализации. Передатчик располагался на одном берегу реки, приемник — на другом.)

Одно из возражений, которые выдвигают критики этих экспериментов, заключается в том, что ученые работают с частицами света, фотонами. Пока результат «не тянет» на научную фантастику. Поэтому очень важным стал другой эксперимент 2004 г., когда квантовую телепортацию удалось продемонстрировать уже не на фотонах, а на настоящих атомах. Это шаг в нужном направлении, к созданию реального телепортационного устройства. Физики из Национального института стандартов и технологии в Вашингтоне сумели «запутать» три атома бериллия и передать свойства одного атома другому. Достижение было настолько значительным, что попало на обложку журнала Nature. Другая группа тоже добилась успеха, но уже с атомами кальция.

В 2006 г. произошло еще одно значительное событие: впервые в подобных экспериментах был задействован макроскопический объект. Физики из Института Нильса Бора в Копенгагене и Института Макса Планка в Германии сумели запутать луч света и газ, состоящий из атомов цезия; в этом событии участвовали многие триллионы атомов. После этого они закодировали информацию, содержащуюся в лазерных вспышках, и телепортировали ее атомам цезия через расстояние примерно в полметра. Как пояснил один из исследователей Евгений Ползик, впервые была проведена квантовая телепортация «между светом — носителем информации — и атомами».

Телепортация без запутывания

Исследования в области телепортации стремительно набирают ход. В 2007 г. было сделано еще одно важное открытие. Физики предложили метод телепортации, не требующий запутывания. Вспомним, что запутывание представляет собой наиболее сложный момент квантовой телепортации. Решение этой проблемы могло бы открыть перед телепортацией новые горизонты.

«Речь идет о луче из примерно 5000 частиц, который исчезает в одном месте и появляется в другом», — говорит физик Астон Брэдли из Центра квантовой атомной оптики в Брисбене при Австралийском совете по исследованиям — один из участников разработки нового метода телепортации.

«Мы считаем, что по духу наша схема ближе к первоначальной фантастической концепции», — заявляет он. Суть подхода группы Брэдли в том, что ученые берут пучок атомов рубидия, переводят всю его информацию в луч света, посылают этот луч по оптоволоконному кабелю, а затем воссоздают первоначальный пучок атомов в другом месте. Если заявленные результаты подтвердятся, то будет устранено главное препятствие к реальной телепортации и открыты совершенно новые пути передачи на расстояние все более крупных объектов.

Чтобы новый метод не путали с квантовой телепортацией, доктор Брэдли назвал его классической телепортацией. (Название это отчасти вводит в заблуждение, потому что его метод также опирается на квантовую теорию, но не на запутывание.)

Ключевым моментом этого нового типа телепортации является открытое недавно новое состояние вещества, известное как «конденсат Бозе-Эйнштейна», или КБЭ, которое представляет собой одну из самых холодных субстанций во всей Вселенной.

В природе самую низкую температуру можно обнаружить в открытом космосе; она составляет 3 К, т. е. на три градуса выше абсолютного нуля. (Это благодаря остаточной теплоте Большого взрыва, которая до сих пор заполняет Вселенную.) Но КБЭ существует при температуре от одной миллионной до одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля; такую температуру можно получить только в лаборатории.

При охлаждении некоторых форм вещества почти до абсолютного нуля их атомы (все без исключения) сваливаются на самый низкий энергетический уровень и начинают вибрировать в унисон, т. е. становятся когерентными. Волновые функции всех атомов перекрываются, поэтому в каком-то смысле КБЭ напоминает гигантский «сверхатом», причем все составляющие его отдельные атомы колеблются в унисон. Существование этого необычного состояния вещества предсказали Эйнштейн и Шатьендранат Бозе еще в 1925 г., но прошло 70 лет, прежде чем в 1995 г. КБЭ был наконец получен в лабораториях Массачусетского технологического института и Университета Колорадо.

Вот как работает телепортационное устройство Брэдли и его команды. Начинается все с набора суперхолодных атомов рубидия в состоянии КБЭ. Затем на КБЭ направляют пучок атомов (все того же рубидия). Атомы пучка также стремятся перейти в состояние с самой низкой энергией, поэтому они сбрасывают излишки энергии в виде квантов света. Полученный таким образом световой луч посылают по оптоволоконному кабелю. Примечательно, что этот луч содержит всю квантовую информацию, необходимую для описания первоначального пучка вещества (т. е. информацию о расположении и скорости всех его атомов). Пройдя по кабелю, световой луч попадает в уже другой КБЭ, который превращает его в первоначальный поток вещества.