Телепортируемся! О чём на самом деле говорят российские чиновники?

Что такое квантовая телепортация? Кого и куда она телепортирует?

Термин "квантовая телепортация" предложили физики-теоретики Чарльз Бенетт и Жил Брассард в 1993 году. Учёные нашли теоретический способ переносить частицы — например, фотоны из которых состоит свет, — на большие расстояния без каких-либо потерь. Поскольку само слово "телепортация" состоит из греческого корня "τήλε" — "далеко" и латинского "portare" — "нести", авторы сочли его уместным. Прилагательное "квантовый" означает, что телепортация управляется законами квантовой физики — той самой науки, которая разрешает частицам "проходить сквозь стены" или находиться в двух местах одновременно.

Что нужно для телепортации?

Для того чтобы телепортировать фотон, нам дополнительно нужна пара специально подготовленных частиц — тоже фотонов. Их называют запутанными: если мы сделаем что-либо с первой частицей в паре, например, измерим её состояние, то это неминуемо отразится и на второй частице. Объяснить это можно на простой аналогии: пусть в паре запутанных шариков один всегда зелёный, а другой всегда красный. Оба шарика быстро вращаются, и мы не можем понять, какого они цвета. Но пока мы не остановим и не посмотрим на шарик, ни мы, ни шарик не знаем, зелёный он или красный. Если мы возьмём много таких одинаковых запутанных пар и будем смотреть только на один шарик из пары (к примеру, всегда на тот, что справа), то в половине случаев он окажется красным, а в половине — зелёным.

Однако "магия" запутанности появляется, когда мы разделим пары очень большим расстоянием и будем сразу после измерения цвета первого шарика ловить и измерять цвет второго. Окажется, что как только первый шарик "узнал" (вместе с нами), что он красный — второй тут же станет зелёным. Информация о том, что произошло измерение, передаётся внутри пары моментально — даже быстрее, чем со скоростью света. К сожалению, полезную информацию моментально передавать нельзя.

Как происходит квантовая телепортация?

Вся квантовая телепортация основана на этом необычном свойстве. Пусть у нас есть два экспериментатора, Алиса и Боб. У Алисы есть фотон с ценной информацией, который она хочет телепортировать Бобу, и пара запутанных фотонов. Сначала Алисе надо отдать Бобу одну из запутанных частиц — сделать это можно по оптоволоконному каналу, например. Затем Алиса делает хитрую операцию: она измеряет одновременно некую характеристику сразу у двух частиц — запутанной и телепортированной. Это изменяет состояние частицы Боба.

С помощью классического канала (например, с помощью интернета) Алиса сообщает Бобу результат измерения. На основе этого результата Боб в точности знает, какую операцию надо провести над его фотоном, чтобы превратить его в фотон, который был у Алисы. Таким образом, не перемещая в пространстве уникальный фотон с ценной информацией, мы гарантированно передаём его состояние в руки Боба. 

Точно так же вместо фотона физики могут телепортировать свойства атомов, из которых состоит всё на свете. Подойдут для телепортации ионы, электроны или даже сверхпроводящие кубиты квантовых компьютеров. Главное — найти необходимую пару запутанных частиц.

И как, получается?

Первый успешный эксперимент по квантовой телепортации фотонов лазерного луча провели в 1997 году. Состояния фотонов переносили в рамках лабораторной установки. К 2004 году расстояние удалось увеличить до 600 метров с помощью оптоволокна: фотоны телепортировали с одного берега Дуная на другой. Постепенно дистанции увеличивались вплоть до 143 километров — в экспериментах 2012 года фотоны передавали между двумя островами Канарского архипелага: Ла Пальма и Тенерифе.

Учёным также удавалось телепортировать состояния атомов кальция, бериллия и различных ионов. Интересно, что, так как мы переносим состояния, а не сами частицы, возможна телепортация между различными материями — к примеру, в 2006 году физики смогли передать состояния фотонов на атом цезия.

А как же телепортация из дома на работу?

Видно, что квантовая телепортация сильно отличается от того явления, которое было описано в научно-фантастической литературе. Фактически мы берём информацию о состоянии частицы и переносим её в другую частицу. Однако, взяв два атома одного и того же элемента, мы не сможем их отличить друг от друга, поэтому передав важное для нас свойство от одной частицы к другой, Боб получит ровно тот же объект с точки зрения практического использования, что и Алиса.

Для того чтобы телепортировать живой объект — хотя бы одну клетку живого организма, — нам потребуется последовательно передавать сотни триллионов атомов, что в обозримом будущем невозможно.

Тогда зачем это нужно?

При передаче обычной информации по оптоволокну часть света неминуемо теряется — не существует идеально прозрачных материалов. Поэтому даже в оптоволоконных каналах, которые обеспечивают связь между компьютерами на расстояниях в сотни и тысячи километров используются так называемые повторители. Эти устройства ловят ослабленный сигнал, усиливают его и передают дальше. Без них сигналы могли бы попросту не доходить из точки А в точку Б.

В квантовых коммуникациях могут возникать те же самые потери, и квантовая телепортация оказывается важным средством, которое позволяет с ними бороться. Скажем, недавно Российский квантовый центр запустил первую в России линию квантовой связи между банками — её протяжённость составила всего 30,6 километров. Построить такую же, идеально защищённую от взлома линию между Москвой и Владивостоком без квантовых повторителей будет невозможно: сигнал попросту не "долетит".

А всё-таки, сможем ли мы телепортировать человека?

Теоретически это возможно, если перенести квантовые состояния всех атомов в теле человека на новые атомы и собрать их в правильном порядке. Здесь, правда, может возникнуть другая сложность — не будет ли это клонированием?

К счастью, эта проблема в квантовой телепортации решена. Когда мы телепортируем состояние частицы в другое место, оригинальное состояние разрушается измерением. Так устроена квантовая физика. Существует даже специальная теорема, запрещающая клонирование состояний. Однако между телепортацией квантовых состояний и телепортацией человека лежит огромная пропасть, которую нам ещё предстоит преодолеть.