Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Как видно, квантовая телепортация включает в себя два этапа, на каждом из которых передаётся важная информация. Сначала мы выполняем совместное измерение фотона, предназначенного для телепортации, с фотоном из пары сцепленных фотонов. Изменение квантового состояния, связанное с актом измерения, благодаря квантовой нелокальности отпечатывается на удалённом партнёре из пары сцепленных фотонов. Таков первый этап — «квантовая часть» процесса телепортации. На втором этапе результат самого измерения сообщается по любому обычному каналу связи (телефон, факс, электронная почта...) — это «классическая часть» процесса телепортации. Комбинация этих двух этапов позволяет точно воспроизвести квантовое состояние фотона, предназначенного для телепортации, путём несложной операции (такой как вращение на некоторый угол вокруг определённой оси), применяемой к удалённому партнёру пары сцепленных фотонов.

Отметим две характерные черты квантовой телепортации. Поскольку начальное состояние фотона A было нарушено в ходе измерения, то только фотон C теперь находится в том начальном состоянии. Нет двух копий исходного фотона A, так что этот процесс точнее назвать квантовой телепортацией, а не квантовым копированием{293}. Более того, хотя мы телепортировали фотон A из Нью-Йорка в Лондон (и фотон в Лондоне стал неотличим от того фотона, который был в Нью-Йорке), но мы так и не узнали квантовое состояние фотона A. Фотон A в Лондоне обрёл ту же самую вероятность обладания спином относительно того или иного направления, какую имел фотон A до моего вмешательства, но мы не знаем, какова эта вероятность. Таков трюк, лежащий в основании квантовой телепортации. Возмущение, вызываемое актом измерения, препятствует нам узнать квантовое состояние фотона A, но в описанном подходе нам и не нужно знать квантовое состояние фотона, чтобы телепортировать его. Нам требуется знать, лишь один аспект его квантового состояния — то, что мы узнаем из совместного измерения с фотоном B. Квантовое запутывание с удалённым фотоном C предоставляет недостающую информацию для успешной телепортации фотона.

Осуществление этой стратегии квантовой телепортации явилось очень непростым делом. В начале 1990-х гг. пару запутанных фотонов можно было породить с помощью стандартной процедуры, но ещё никто никогда не осуществлял совместное измерение двух фотонов (описанное выше совместное измерение фотонов A и B, называемое измерением состояния Белла). Заслуга групп Цайлингера и Де Мартини состоит в том, что они разработали оригинальную экспериментальную методику совместного измерения и реализовали её в лабораторных условиях{294}. В 1997 г. они достигли своей цели, став первыми группами, осуществившими телепортацию одной частицы.

Практическая телепортация

Поскольку мы с вами, автомобиль «ДеЛориан» и всё остальное состоит из множества частиц, то следующим естественным шагом будет представить, как применить квантовую телепортацию к такой крупной совокупности частиц, что позволило бы перебрасывать макроскопические объекты из одного места в другое. Однако переход от телепортации одной частицы к телепортации макроскопической совокупности частиц сразу же ставит в тупик и находится далеко за пределами того, что многим исследователям представляется достижимым даже в отдалённом будущем. Но ради забавы представим себе, как могли бы осуществиться фантастические мечты Цайлингера.

Вообразим, что я хочу телепортировать свой «ДеЛориан» из Нью-Йорка в Лондон. Вместо пары сцепленных фотонов (необходимых для телепортации одного фотона) нам с Николасом потребуется по целому вместительному контейнеру частиц, содержащему достаточно протонов, нейтронов, электронов и т. д. для воссоздания «ДеЛориана», причём частицы в наших контейнерах должны быть попарно запутаны друг с другом (см. рис. 15.1). Мне также потребуется устройство для совместного измерения всех частиц, составляющих «ДеЛориан», с частицами, снующими туда-сюда в моём контейнере (аналог прибора для совместного измерения фотонов A и B). Благодаря запутыванию частиц в двух камерах воздействие проведённого мною совместного измерения отпечатается в частицах, находящихся в камере Николаса в Лондоне (аналог того, как совместное измерение фотонов A и B отражается на фотоне C). Если я позвоню Николасу и сообщу ему результаты своего измерения (это будет дорогой звонок, так как мне потребуется передать 1030 результатов), то переданные мною данные скажут, какие манипуляции ему следует провести с частицами в своём контейнере (во многом подобно тому как я раньше передавал ему данные для манипуляции с фотоном C). Когда он закончит эти манипуляции, каждая частица в его контейнере окажется точно в том же квантовом состоянии, как каждая частица «ДеЛориана» (до того, как я провёл измерение), и так Николас получит «ДеЛориан»[295]. Тем самым будет осуществлена телепортация из Нью-Йорка в Лондон.

Рис. 15.1. Фантастический проект телепортации включает в себя два отдалённых друг от друга контейнера с попарно квантово запутанными частицами, а также устройство для совместного измерения частиц телепортируемого объекта с частицами одного из контейнеров. Результаты этих измерений затем дадут информацию, необходимую для манипулирования частицами второго контейнера с целью репликации объекта, — тем самым будет осуществлена его телепортация

Однако заметим, что каждый шаг этой макроскопической версии квантовой телепортации фантастичен. Объекты типа «ДеЛориана» имеют свыше миллиарда миллиардов миллиардов частиц. Хотя в экспериментах удаётся манипулировать с более чем одной парой сцепленных частиц, но эти эксперименты чрезвычайно далеки от того, чтобы набрать число частиц, характерное для макроскопических объектов{296}. Создание двух контейнеров сцепленных частиц находится далеко за переделами современных возможностей. Более того, совместное измерение даже двух фотонов явилось впечатляющим достижением. Сегодня даже невозможно вообразить совместное измерение миллиардов и миллиардов частиц. По современной беспристрастной оценке, можно заявить, что пройдут целые эпохи (если не вечность), прежде чем станет возможной телепортация макроскопического объекта — по крайней мере способом, описанным выше применительно к одной частице.

Но поскольку наука и техника постоянно отодвигает границы невозможного, я просто отмечу очевидное: телепортация макроскопических тел выглядит маловероятной. Но, как знать? Сорок лет назад компьютер «Энтерпрайза» тоже казался маловероятным{297}.

Загадки путешествия во времени

Несомненно, наша жизнь была бы другой, если телепортация была бы столь же простым делом, как почтовая пересылка или поездка на метро. Стали бы возможными невероятные путешествия, и само понятие путешествия в пространстве изменилось бы до такой степени, что скачок в удобстве и практичности привёл к фундаментальному изменению во взгляде на мир.

Но всё же воздействие телепортации на наше ощущение Вселенной было бы лишь бледной тенью по сравнению с тем переворотом, который вызвала бы возможность путешествия во времени. Всем известно, что при достаточном усилии и стремлении можно добраться, по крайней мере в принципе, в желаемую точку пространства. Хотя и существуют технологические ограничения на наши путешествия в пространстве, мы всё же путешествуем, хотя и в рамках этих ограничений, руководствуясь своим выбором и своими желаниями. Но как добраться из «сейчас» в «тогда»? Наш опыт определённо свидетельствует, что для этого существует только один маршрут: мы должны ждать — секунда за секундой, пока не наступит это «тогда». И это предполагает, что «тогда» следует за «сейчас». Если «тогда» предшествует «сейчас», то опыт говорит, что такого маршрута вообще не существует; путешествие в прошлое представляется невозможным. В отличие от путешествия в пространстве, путешествие во времени кажется чем угодно, но только не делом выбора и желания. Когда речь заходит о времени, нас тащит в одном направлении, хотим мы этого или нет.

Если бы мы могли путешествовать во времени столь же легко, как мы путешествуем в пространстве, наш взгляд на мир не просто бы изменился, а претерпел бы самый резкий сдвиг за всю историю нашего вида. Ввиду такого несомненного потрясения я часто поражаюсь тому, сколь мало людей осознают, что теоретические основы одного из видов путешествий во времени — путешествия в будущее — были заложены ещё в начале прошлого века.