Квантовая телепортация
Квантовая телепортация
Если мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры и т.п. новейшие изобретения, которые сильно изменили лицо современной цивилизации, есть в своей основе достижения инженерные, технологические - то есть для фундаментальной науки, в сущности, продукты побочные, - то в истории с квантовой телепортацией главными действующими лицами были и остаются ученые-теоретики. А вторая особенность этого явления - оно само по себе настолько фантастично, что поверить в его реальное
существование просто невозможно.
Мало того, само явление возникло из неверия в его существование. Но давайте же обо всем по порядку. Эйнштейн: и прав и не прав Впрочем, по порядку получается плохо, потому как не совсем ясно, что брать за точку отсчета. Можно, например, начинать с лекции знаменитого лорда Кельвина в 1900 году, где он назвал в числе немногих, по его мнению, не решенных на тот момент физических задач проблему спектра излучения абсолютно твердого тела. Или с Макса Планка, который в объяснение этого спектра выдвинул идею квантов. Или с Альберта Эйнштейна, который, между прочим, Нобелевскую премию в 1922 году получил тоже за кванты, а вовсе не за теорию относительности - он показал на основе объяснения явления фотоэффекта, что кванты существуют в реальности. Или с Нильса Бора, Вернера Гейзенберга, Эрвина Шредингера и других пионеров квантовой механики, которые выстроили более-менее непротиворечивую теорию квантов. Основой этой теории, как известно, стал принцип неопределенностей Гейзенберга. Согласно ему одновременно измерить импульс и координату частицы нельзя - измерив что-то одно, мы разрушим сам объект, и второе уже узнать не удастся. Получается, что пока квантовые частицы существуют, они непознаваемы - акт познания разрушает объект исследования! Это бесило Эйнштейна, который хоть и сам был одним из основоположников, но считал, что "бог в кости не играет", просто физики тут что-то не дорабатывают. Последние десятилетия своей жизни он посвятил не то чтобы борьбе с квантовой механикой, скорее это можно назвать попыткой нащупать всем субатомным явлениям иное, более рациональное объяснение. Заметим, что в настоящее время многие теоретики полагают, что по большому счету Эйнштейн был совершенно прав в своих поисках, хотя решения ему найти не удалось: состыковать классическую и квантовую картины мира не получается и до сих пор. Для нашей истории важно, что в 1935 году Эйнштейн и его сотрудники Борис Подольский и Натан Розен в рамках своей критики квантово-механического подхода придумали мысленный эксперимент, который, по их мнению, должен был доказать абсурдность самой основы квантовой механики. Они рассуждали так: ведь согласно закону сохранения импульса после соударения импульсы частиц зависят друг от друга. Так что измерив импульс частицы А, мы всегда можем вычислить импульс Б - это умеет делать каждый школьник. Но если частица Б с частицей А уже никак (в рамках классической теории) не связана, мы можем провести отдельный эксперимент над ней и измерить ее координату. В результате мы будем иметь совершенно точные значения координаты и импульса одной и той же частицы Б, что по соотношению неопределенностей исключено. Если же поверить Гейзенбергу, то остается допустить следующее: если мы как-то зафиксируем импульс частицы А, то мгновенно изменится и импульс частицы Б, квантовое состояние разрушится, и само измерение над частицей Б потеряет смысл - его результат будет зависеть от измерения над А. Получается так, как будто они обменялись сообщениями. Причем это действует на любом расстоянии - если две частицы связаны между собой, то есть они имели некое общее прошлое, из уравнений следует, что они остаются связанными навсегда, даже разлетевшись на миллионы километров. Так как, согласно теории относительности, мгновенной передачи сигналов не бывает, то отсюда Эйнштейн сделал вывод, что такого эффекта не может существовать в природе, и, следовательно, вся квантовая механика неверна. Добавим сюда же, что при всем этом еще и нарушается принцип причинности: измерение над А определяет измерение над Б, но и наоборот тоже - вне зависимости от того, какое из измерений происходило раньше другого! Решающие эксперименты Эйнштейн и его сотрудники ни в чем не ошиблись - все это действительно вытекает из основных уравнений квантовой механики. Явление существования таких связанных (entangled - "запутанных") ансамблей квантовых частиц получило название по первым буквам фамилий авторов "эффект ЭПР" (EPR), и очень долго никто не мог ни доказать, ни опровергнуть его существование в природе. Нильс Бор и многие другие физики полагали, что никакой проблемы здесь вообще нет - просто неклассическое в основе явление нельзя описать в классических терминах. Как и наоборот, кстати, - два теннисных мяча, столкнувшись, никаких квантовых свойств не проявляют. В 1964 году математик Джон Белл вывел так называемые неравенства Белла, которые строго разграничили области действия квантовых и классических законов - именно на них основываются дальнейшие практические эксперименты. Термин "телепортация" придумал - точнее, не придумал, а заимствовал из фантастической литературы и ввел в научный обиход - физик Чарльз Беннет (Charles H. Bennett) из исследовательского центра IBM с еще пятью сотрудниками в 1993 году. Но еще раньше, в 1991-м, Артур Экерт (Artur K. Ekert) из Кембриджского университета придумал, как применить сцепленное состояние для передачи, не поддающейся перехвату. В 1992 году тот же Чарльз Беннет и Стивен Виснер (Stephen Wiesner) из Тель-Авивского университета показали, что сцепленность можно использовать при пересылке классической информации. Вообще в рамках эффекта ЭПР на самом деле никакой, разумеется, передачи материальных тел через пространство не происходит, передается только информация*. Какие именно параметры частиц можно использовать на практике? Квантовая механика еще со времен модели атома Бора установила, что в связанном состоянии двух одинаковых частиц быть не может, из школьного курса химии мы знаем, что, в частности, на этом факте основано строение Периодической таблицы. Спин электрона, например, может принимать только два значения: +1/2 и -1/2. Так что если один электрон в эксперименте показал положительный спин, то второй, с ним связанный, обязательно имеет отрицательный. Измерив спин электрона "здесь у нас", мы немедленно - мгновенно! - узнаем, что "там у них", где-нибудь в другой Галактике, связанный электрон имеет противоположное состояние (правда, сами они этого не знают). А если одно из состояний принять за 0, а другое за 1, то мы получим квантовые биты - кубиты (qbits). На практике для передачи информации более удобно использовать не электроны, а кванты света - фотоны, измеряя их поляризацию.
Если мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры и т.п. новейшие изобретения, которые сильно изменили лицо современной цивилизации, есть в своей основе достижения инженерные, технологические - то есть для фундаментальной науки, в сущности, продукты побочные, - то в истории с квантовой телепортацией главными действующими лицами были и остаются ученые-теоретики. А вторая особенность этого явления - оно само по себе настолько фантастично, что поверить в его реальное
Мало того, само явление возникло из неверия в его существование. Но давайте же обо всем по порядку. Эйнштейн: и прав и не прав Впрочем, по порядку получается плохо, потому как не совсем ясно, что брать за точку отсчета. Можно, например, начинать с лекции знаменитого лорда Кельвина в 1900 году, где он назвал в числе немногих, по его мнению, не решенных на тот момент физических задач проблему спектра излучения абсолютно твердого тела. Или с Макса Планка, который в объяснение этого спектра выдвинул идею квантов. Или с Альберта Эйнштейна, который, между прочим, Нобелевскую премию в 1922 году получил тоже за кванты, а вовсе не за теорию относительности - он показал на основе объяснения явления фотоэффекта, что кванты существуют в реальности. Или с Нильса Бора, Вернера Гейзенберга, Эрвина Шредингера и других пионеров квантовой механики, которые выстроили более-менее непротиворечивую теорию квантов. Основой этой теории, как известно, стал принцип неопределенностей Гейзенберга. Согласно ему одновременно измерить импульс и координату частицы нельзя - измерив что-то одно, мы разрушим сам объект, и второе уже узнать не удастся. Получается, что пока квантовые частицы существуют, они непознаваемы - акт познания разрушает объект исследования! Это бесило Эйнштейна, который хоть и сам был одним из основоположников, но считал, что "бог в кости не играет", просто физики тут что-то не дорабатывают. Последние десятилетия своей жизни он посвятил не то чтобы борьбе с квантовой механикой, скорее это можно назвать попыткой нащупать всем субатомным явлениям иное, более рациональное объяснение. Заметим, что в настоящее время многие теоретики полагают, что по большому счету Эйнштейн был совершенно прав в своих поисках, хотя решения ему найти не удалось: состыковать классическую и квантовую картины мира не получается и до сих пор. Для нашей истории важно, что в 1935 году Эйнштейн и его сотрудники Борис Подольский и Натан Розен в рамках своей критики квантово-механического подхода придумали мысленный эксперимент, который, по их мнению, должен был доказать абсурдность самой основы квантовой механики. Они рассуждали так: ведь согласно закону сохранения импульса после соударения импульсы частиц зависят друг от друга. Так что измерив импульс частицы А, мы всегда можем вычислить импульс Б - это умеет делать каждый школьник. Но если частица Б с частицей А уже никак (в рамках классической теории) не связана, мы можем провести отдельный эксперимент над ней и измерить ее координату. В результате мы будем иметь совершенно точные значения координаты и импульса одной и той же частицы Б, что по соотношению неопределенностей исключено. Если же поверить Гейзенбергу, то остается допустить следующее: если мы как-то зафиксируем импульс частицы А, то мгновенно изменится и импульс частицы Б, квантовое состояние разрушится, и само измерение над частицей Б потеряет смысл - его результат будет зависеть от измерения над А. Получается так, как будто они обменялись сообщениями. Причем это действует на любом расстоянии - если две частицы связаны между собой, то есть они имели некое общее прошлое, из уравнений следует, что они остаются связанными навсегда, даже разлетевшись на миллионы километров. Так как, согласно теории относительности, мгновенной передачи сигналов не бывает, то отсюда Эйнштейн сделал вывод, что такого эффекта не может существовать в природе, и, следовательно, вся квантовая механика неверна. Добавим сюда же, что при всем этом еще и нарушается принцип причинности: измерение над А определяет измерение над Б, но и наоборот тоже - вне зависимости от того, какое из измерений происходило раньше другого! Решающие эксперименты Эйнштейн и его сотрудники ни в чем не ошиблись - все это действительно вытекает из основных уравнений квантовой механики. Явление существования таких связанных (entangled - "запутанных") ансамблей квантовых частиц получило название по первым буквам фамилий авторов "эффект ЭПР" (EPR), и очень долго никто не мог ни доказать, ни опровергнуть его существование в природе. Нильс Бор и многие другие физики полагали, что никакой проблемы здесь вообще нет - просто неклассическое в основе явление нельзя описать в классических терминах. Как и наоборот, кстати, - два теннисных мяча, столкнувшись, никаких квантовых свойств не проявляют. В 1964 году математик Джон Белл вывел так называемые неравенства Белла, которые строго разграничили области действия квантовых и классических законов - именно на них основываются дальнейшие практические эксперименты. Термин "телепортация" придумал - точнее, не придумал, а заимствовал из фантастической литературы и ввел в научный обиход - физик Чарльз Беннет (Charles H. Bennett) из исследовательского центра IBM с еще пятью сотрудниками в 1993 году. Но еще раньше, в 1991-м, Артур Экерт (Artur K. Ekert) из Кембриджского университета придумал, как применить сцепленное состояние для передачи, не поддающейся перехвату. В 1992 году тот же Чарльз Беннет и Стивен Виснер (Stephen Wiesner) из Тель-Авивского университета показали, что сцепленность можно использовать при пересылке классической информации. Вообще в рамках эффекта ЭПР на самом деле никакой, разумеется, передачи материальных тел через пространство не происходит, передается только информация*. Какие именно параметры частиц можно использовать на практике? Квантовая механика еще со времен модели атома Бора установила, что в связанном состоянии двух одинаковых частиц быть не может, из школьного курса химии мы знаем, что, в частности, на этом факте основано строение Периодической таблицы. Спин электрона, например, может принимать только два значения: +1/2 и -1/2. Так что если один электрон в эксперименте показал положительный спин, то второй, с ним связанный, обязательно имеет отрицательный. Измерив спин электрона "здесь у нас", мы немедленно - мгновенно! - узнаем, что "там у них", где-нибудь в другой Галактике, связанный электрон имеет противоположное состояние (правда, сами они этого не знают). А если одно из состояний принять за 0, а другое за 1, то мы получим квантовые биты - кубиты (qbits). На практике для передачи информации более удобно использовать не электроны, а кванты света - фотоны, измеряя их поляризацию.