Квантова телепортація: що це таке і як працює

Квантовий світ часто суперечить здоровому глузду. Нобелівський лауреат Річард Фейнман якось заявив: «Думаю, я сміливо можу сказати, що квантової механіки ніхто не розуміє». Квантова телепортація – якраз один з таких дивних і, здавалося б, нелогічних феноменів. 

У 2017 році дослідники з Китаю телепортували об’єкт у відкритий космос. Це була не людина, не собака і навіть не молекула. Це був фотон. А точніше – інформація, яка описувала конкретний фотон. Але чому це називають телепортацією?

Суть в тому, що квантова телепортація мало пов’язана з телепортацією як такою. Це скоріше питання створення інтернету, який не можна зламати. Але перш ніж ми перейдемо безпосередньо до цього питання, поговоримо про один парадокс.

Геніальний фізик і автор Спеціальної і Загальної теорій відносності Альберт Ейнштейн вважав квантову механіку помилковою теорією. У 1935 році він разом з фізиками Борисом Подольським і Натаном Розеном написав статтю, в якій визначив парадокс , що ставить під сумнів практично все, що пов’язано з квантовою механікою, – ЕПР-парадокс.

Квантова механіка – наука про найменші аспекти Всесвіту: атоми, електрони, кварки, фотони і так далі. Вона розкриває парадоксальні, а часом і суперечливі аспекти фізичної реальності. Одним з таких аспектів можна назвати той факт, що, проводячи вимір частки, ви її «змінюєте». Це явище в результаті назвали ефектом спостерігача: акт виміру феномену непоправно впливає на нього.

Найчастіше, щоб спостерігати атом, ми на нього світимо. Фотони цього світла взаємодіють з часткою, тим самим впливаючи на її позицію, момент імпульсу, спін або інші характеристики. У квантовому світі застосування фотонів для спостереження атома на кшталт використання куль для боулінгу, щоб перерахувати кеглі в кінці кегельбану. У підсумку точно дізнатися всі властивості частинки неможливо, так як в процесі її дослідження спостерігач впливає на результат.

Ефект спостерігача часто плутають з ідеєю про те, що свідомість якимось чином може вплинути на дійсність або навіть створити її. Насправді, в цьому ефекті немає нічого надприродного, так як для нього зовсім не потрібно свідомість.

Фотони, що зіштовхуються з атомом, виробляють той же самий ефект спостерігача незалежно від того, рухаються вони до нього через дії з боку людської свідомості чи ні. У цьому випадку «спостерігати» – значить просто взаємодіяти.

Ми не можемо бути сторонніми спостерігачами. У квантових системах людина завжди бере активну участь, змінюючи результати.

Саме це не подобалося Альберту Ейнштейну. Для нього ця притаманна невизначеність вказувала на неповноту квантової механіки, яку треба було усунути. Вчений вважав, що реальність не може бути настільки ненадійною. Саме до цього відноситься його знаменита фраза: «Бог не грає в кості із Всесвітом».

І ніщо так сильно не підкреслювало слабкість квантової механіки, як парадокс квантової заплутаності.

Іноді на квантових масштабах частки можуть стати взаємопов’язаними між собою таким чином, що вимір властивостей однієї частки моментально впливає на іншу, незалежно від того, наскільки вони віддалені один від одного. Це і є квантова заплутаність.

Відповідно до теорії відносності Ейнштейна, ніщо не може рухатися швидше за світло. Однак квантова заплутаність, схоже, порушувала це правило. Якщо одна частка заплутана з іншого, а будь-яка можлива зміна, що відбувається з однією з них, впливає на другу, значить, між ними повинний відбуватися якийсь зв’язок. Інакше як вони можуть впливати один на одного? Але якщо це відбувається моментально, незважаючи на відстані, цей зв’язок має відбуватися швидше за швидкість світла – звідси той самий ЕПР-парадокс.

Ейнштейн назвав це явище «моторошною дією на відстані». Вся область квантової механіки здавалася йому такою ж хисткою, як передбачувана квантова заплутаність. Фізик до кінця життя безуспішно намагався «підлатати» теорію, але нічого не вийшло. Просто виправляти було нічого.

Уже після смерті Ейнштейна неодноразово було доведено, що квантова механіка вірна і працює, нехай і часто суперечить здоровому глузду. Вчені підтвердили, що парадокс квантової заплутаності – реальний феномен, і взагалі це не парадокс. Незважаючи на те що заплутаність відбувається моментально, ніяка інформація не може бути передана між частинками швидше за швидкість світла.

Як це все пов’язано з квантової телепортацією? Повернемося до нашої теми. Справа в тому, що таким чином інформація все-таки може бути передана. Саме це в 2017 році зробили дослідники з Китаю. Хоча це і називають «телепортацією», по суті, вчені зробили передачу інформації між двома заплутаними фотонами.

При направленні лазерного променя через спеціальний кристал випущені їм фотони заплутуються. Так що, коли в заплутаній парі вимірюється один фотон, відразу стає відомо стан іншого. Якщо використовувати їх квантові стани в якості переносника сигналу, то між двома фотонами можна передавати інформацію. Це робили і раніше в лабораторіях по всьому світу, але ніколи раніше цей процес не проходив на такій відстані.

Китайські дослідники відправили заплутаний фотон на супутник, розташований в 1400 кілометрах над Землею. Потім вони заплутали фотон, що залишився на планеті, з третім фотоном, що дозволило відправити його квантовий стан фотона на супутнику, тим самим ефективно скопіювавши третій фотон на орбіті. Однак третій фотон не був фізично переміщений на супутник. Була передана і відновлена тільки інформація про його квантовий стан.

Так що це не була телепортація в дусі «Зоряного шляху». Але найбільшим проривом в цьому експерименті стала не телепортація, а комунікація.

Квантовий інтернет на основі заплутаних часток було б практично неможливо зламати. І все завдяки ефекту спостерігача.

Якщо хтось спробує перехопити одну з таких квантових передач, по суті, це буде спроба спостерігати частку, що – як ми вже знаємо – змінить її. Скомпрометована передача стала б відразу помітна, так як частинки перестали б бути заплутаними або передача була б повністю знищена. 

Квантовий інтернет був би практично на 100% безпечною комунікаційною мережею. Не маючи доступу до заплутаних часток, ніхто не зміг би його зламати. А якби хтось все-таки отримав доступ до однієї з заплутаних часток, це б відразу помітили, так як пропала б частка, а значить, інтернет перестав би працювати. Саме таким чином це може бути більш корисно, ніж пристрій для телепортації фотонів.

Дослідникам довелося зробити понад мільйон спроб для успішного заплутування трохи більше 900 частинок. Так як фотони повинні проходити через нашу атмосферу, є висока ймовірність, що вони будуть взаємодіяти з іншими частинками, отже, будуть «спостерігатися», знищуючи заплутаність і завершуючи передачу.

Чи зможемо ми одного разу – коли-небудь в далекому майбутньому – використовувати цю ж техніку для телепортації великих об’єктів або навіть людей? Теоретично так. Для цього довелося б заплутувати кожну частинку в тілі з такою ж кількістю частинок в точці призначення. Кожний стан і позиція всіх ваших частинок буде необхідно просканувати і передати в інше місце. Очікуючі частки заплутаються і візьмуть передану їм інформацію, моментально прийнявши стан, ідентичне оригінальним часткам. По суті, це те ж саме, що сталося з фотонами в китайському експерименті. Різниця лише в тому, що тут мова йде про кожну частинку в вашому тілі.

Проте не варто сильно радіти. Телепортація також схильна до ефекту спостерігача. Процес сканування, що вимірює всі ваші частки, моментально б всіх їх змінив. Цілком можливо, що зміни були для вас малоприємними, ви перетворилися б у невпізнаний квантовий слиз. Ви б перестали існувати в початковій точці і з’явилися б в інший – абсолютно таким же, але вже з новим набором частинок. Але залишилися б ви собою чи ні – зовсім інше питання.