НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Квантовая телепортация: возможности и перспективы

Юджин Ползик
Юджин Ползик
Фото: Alberto Cereser/universitypost.dk

Свою лекцию на «Полит.ру» о квантовой телепортации профессор Института Нильса Бора, директор Датского центра квантовой оптики, председатель исполнительного комитета Российского квантового центра Юджин Ползик начал с рассказа о том, что можно, а что нельзя в мире квантовой физики. При этом он на каждом этапе подбрасывал слушателям сюрприз. Убедив их, что нечто уж точно в квантовой механике невозможно, он вдруг на новом этапе показывал, как все-таки можно обойти запреты, не нарушая законов природы.

Сначала он рассказал о Вернере Гейзенберге (Werner Heisenberg), одном из основателей квантовой механики, который установил первое квантовое «нельзя». В 1927 году Гейзенберг выдвинул знаменитый принцип квантовой неопределенности: нельзя одновременно измерить положение, координату частицы и ее скорость, импульс. Если мы хорошо знаем, где частица находится, значит, мы не можем понять, какова ее скорость, и наоборот.

До этого физикам казалось, что об окружающем нас мире можно узнать всё, каково же было их удивление, когда жесткая логика привела их к выводу, что в мире квантовой физики нельзя измерить всё, что хочется. «И не потому, что мы плохие инженеры, или у нас приборы неточные, а просто нельзя», – заметил Юджин.

Далее он перешел к рассказу о постоянной Планка. «Это очень маленькая величина. Для людей, которые помнят математику, это 10-34 джоулей на секунду. Тем не менее, эта величина конечна», – отметил лектор.  В 1918 году Макс Планк (Max Planck) получил Нобелевскую премию по физике «в знак признания услуг, которые он оказал физике своим открытием квантов энергии». Введенная же им константа – постоянная Планка h – важна тем, что «произведение точности, с которой мы можем знать координату электрона, на точность, с которой мы можем знать его скорость, – ограничено снизу», а именно той самой постоянной Планка:

Отметим, что здесь h с черточкой – это приведенная постоянная Планка, она вычисляется из постоянной Планка h по формуле:

«В некотором смысле, в конечности постоянной Планка и заключается одно из оснований квантовой механики», – заметил лектор. Если один из сомножителей очень-очень маленький, то другой должен быть очень-очень большим и наоборот. Из этого следует, что «если мы хорошо знаем, где частица находится, значит, мы совсем не знаем, какая ее скорость, и наоборот. Это первое утверждение о том, что можно, а что нельзя».

И так, объяснив публике, что нельзя в точности померить одновременно положение и скорость любого электрона, Юджин Ползик перешел к тому, а как этот запрет соотносится с проблемой квантовой телепортации. «Если я хочу, скажем, телепортировать вас куда-то, то один способ – это просто взять вас и измерить досконально. Все про вас выяснить, померить позицию каждого электрона», – заметил он. Но как уже показал Гейзенберг, если померить досконально какой-то определенный электрон, то это будет уже совсем не тот электрон, может быть, он уже из этого атома улетит. «Из этого примера следует, что нельзя даже понять, где находится один электрон. А как же разобраться со всеми, что сидят в вас? Поэтому получается, что телепортация – это не такой простой трюк», – сказал Юджин.

«Во мне этих электронов очень-очень много, и в каждом из вас – тоже. Если тщательно начать мерить все электроны в нашем теле, то мы помрем», – с иронией сказал ученый.

«Если невозможно в точности определить все параметры даже одного атома, значит, невозможно их записать в качестве классической информации, … а это именно тот способ передачи информации, который сейчас происходит в этом зале. Мой светлый образ преображается в последовательность нулей и единиц, посылается по кабелям, в другом месте эта последовательность нулей и единиц превращается во что-то похожее на меня», –  заметил он.

«Квантовые состояния невозможно передать с помощью потока классической информации, разве только очень грубо», – подчеркнул Юджин. И констатировал еще одно нельзя. «Передача всех деталей объекта, будь это атом, вы, или бактерия, невозможна. Получится лишь очень грубая копия».

Тут лектор в очередной раз поразил аудиторию логичным, но неожиданным для многих выводом об еще одном «нельзя». «Нельзя предсказать будущее», –  заметил Ю. Ползик. –  «Пока наша квантовая механика подтверждается всем нашим опытом, то никто никогда и ни в каком смысле не может предсказать будущее». «Если мы даже не знаем, где этот электрон находится, как можно предсказать все траектории в будущем?», – пояснил он.

Еще одно нельзя квантовой физики заключается в запрете на клонирование на квантовом уровне. «Если я хочу сделать квантовую копию какого-то объекта, то я обязан уничтожить оригинал», – подчеркнул Юджин.

«Кто-то говорил, по-моему, Фейнман, что если вам кажется, что вы понимаете квантовую механику, значит, вы ничего не понимаете», –  весело заметил лектор. Но тут же довольно доходчиво объяснил слушателям, как же квантовая телепортация все-таки может осуществиться. Для этого нужно будет знать: 1) расстояние между двумя перепутанными состояниями двух объектов х1 – х2 и 2) сумму их скоростей (импульсов) р1 + р2. Найти расстояние и сумму скоростей квантовая механика делать не запрещает.

Что такое перепутанные состояния, Ползик объяснил чуть ранее, используя понятия из обыденной жизни. Этот термин был введен Эрвином Шрёдингером (Erwin Schrödinger) в 1935 году, на английском он звучит как entangled или entaglement. Две запутанные квантовые системы очень сильно скоррелированы, они своего рода «моногамные», – заметил лектор. «Моногамия – значит, что я могу быть сильно связан только с одной женщиной. Если я связан с несколькими, то послабее». Если  два объекта находятся в entagled, перепутанном состоянии, то «никакой из этих объектов не может быть перепутан с еще одним объектом». Эксперты в области квантовой информатики сейчас думают над тем, можно ли сделать три или больше частицы в идеально перепутанном состоянии. В этом месте возникает уже не всем известный одновременно живой и мертвый кот Шрёдингера, а пока не очень популярный котенок Шрёдингера, но о нем Юджин Ползик рассказал лишь совсем чуть-чуть. Он напомнил, что Нобелевскую премию 2012 года получили  Серж Арош и Дэвид Уайнланд за их работы по квантовой оптике и они как раз занимаются перепутанными состояниями нескольких частиц.

То, как может быть произведена квантовая телепортация, лектор пояснил с помощью этого слайда:

«Вот эта пара находится тут на Земле, а этот господин, который с этим перепутан, находится Бог знает где. Теперь следите за моими руками. Что мы делаем? Мы здесь на Земле производим измерение относительного расстояния между моей частицей и одной из этих перепутанных, также измеряем сумму их скоростей. Я могу это сделать с неограниченной точностью… Я это сделаю, и как раз в этот момент и координата, и скорость моей частицы будут сильно изменены… Оригинал частицы стерли, у оригинала теперь не известны ни положение, ни скорость. Зато теперь мы знаем расстояние - разницу между х1 и моей частицей хv, она равна cx, и знаем сумму скоростей этих частиц, она равна cp. Теперь мы звоним по телефону на Альфу Центавра, или посылаем туда радиоволны (это тоже ключевой момент, потому что для того, чтобы мне что-то сообщить на Альфу Центавра, нужно туда позвонить или послать радиосигнал, и ничего быстрее скорости света не произойдет), поэтому процесс телепортации не может произойти быстрее скорости света».

Далее Юджин воспользовался простыми правилами сложения и вычитания. Берем x2, и из него вычитаем сx, но оно, в свою очередь, равно х1 – хv. Получаем, что х2 – (х1 - хv) = х2 – х1 + хv, где х2 – х1 равно нулю, т.к. эти два объекта перепутанные. Из этой разности мы получим координату нужной нам частицы xv. Аналогично поступая с импульсами, и пользуясь тем, что p1+p2=0 у перепутанных частиц, мы узнаем импульс нашей частицы pv.

Так, на Альфу Центавра мы телепортировали частицу с координатой xv и импульсом pv. «Конечно, мой рассказ очень условный, но принцип, я надеюсь, понятен», – заметил лектор.

После окончания основного доклада Юджину было задано много интересных вопросов. В частности, у слушателей возник вопрос о Датской академии наук, правда ли, что она финансово поддерживается производителями пива. Ползик подтвердил эту информацию, отметив, что уже много лет Датская академия наук управляет этой пивоваренной компанией, в наблюдательном совета «Карлсберг» сидят физики, которые следят за тем, чтобы компания работала эффективно. В ходе разговора со слушателями оказалось, что «Карлсберг» владеет российской компанией «Балтикой», и получается, что те, кто пьют пиво «Балтика», тем самым помогают Датской академии наук.

«Так что я вас всех убедительно прошу пить больше пива», – весело сказал Юджин Ползик, академик Королевской академии наук Дании.

- Так, так, так…, – возразил со смехом ведущий лекций, научный редактор «Полит.ру» Борис Долгин. – Вот это уже очень сомнительное утверждение.

- Я пошутил, – парировал Юджин Ползик. – Не надо пить алкогольных напитков вообще, они вредят вам и вашему здоровью, не надо курить, и лучше воздерживаться от сами понимаете чего.

- Нет-нет, вот здесь как раз проблем нет, – сказал Борис Долгин, и зал, в котором было немало пар юношей и девушек, засмеялся и зааплодировал.

- Согласен! Я был неправ, – согласился Юджин. – Не нужно от этого воздерживаться, но давайте все-таки сначала дождемся конца лекции.

Отвечая на вопрос, является ли человеческий мозг в какой-то мере квантовым компьютером, Юджин сказал: «Да». И заметил, что есть книга Дэвида Дойча «Начало бесконечности», которая переведена при поддержке Российского квантового центра, и еще переводится другая Сета Ллойда (Seth Lloyd) «Вселенная как квантовый компьютер». Из них следует, что всё, что вокруг нас происходит, можно рассматривать как элементарные операции квантового компьютера. «Все мы состоим из …электрончиков, каждый электрончик можно считать отдельным квантовым битом, и все, что в нас происходит, – это взаимодействие этих квантовых битов. Чем это не квантовый компьютер? Не очень понятно, что он вычисляет, скорее, он не вычисляет, он моделирует нас самих», – заметил Юджин, который является председателем исполнительного комитета Российского квантового центра.

Он также рассказал, что ученые сейчас изучают «возможности перепутанных состояний в мозгу птиц, которые, возможно, используют эти перепутанные состояния для навигации по магнитному полю. Возможно, это в сетчатке». Следы перепутанных состояний стали искать и в фотосинтезе, «благодаря которому мы тут все живем и процветаем». Юджин Ползик сказал, что эти темы интересовали биологов давно, но еще десять лет назад ему приходили такие письма от биологов, что «душа уходила в пятки», мало, кто из них знал физику. «Но теперь действительно серьезные ученые начинают этим заниматься», – отметил он. 

Расшифровку, слайды и видеозапись лекции смотрите на «Полит.ру».

Редакция

Электронная почта: [email protected]
VK.com Twitter Telegram YouTube Яндекс.Дзен Одноклассники
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2022.