Телепортация и квантовая теория

В рамках теории Ньютона телепортация откровенно невозможна. Законы Ньютона базируются на представлении о том, что вещество состоит из крошечных твердых бильярдных шариков. Объекты не приходят в движение, если их не толкнуть; объекты не исчезают внезапно и не появляются заново в другом месте.

Но в квантовой теории частицы способны проделывать именно такие фокусы. Законы Ньютона продержались у власти 250 лет и были свергнуты в 1925 г., когда Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и их коллеги разработали квантовую теорию. Анализируя странные свойства атомов, физики обнаружили, что электрон ведет себя как волна и в кажущейся хаотичности своего движения внутри атома может совершать квантовые скачки.

Теснее всего с представлением о квантовых волнах связан венский физик Эрвин Шрёдингер, создатель знаменитого волнового уравнения, названного его именем, — одного из важнейших уравнений физики и химии. Целые институтские курсы посвящены решению этого знаменитого уравнения; целые стены физических библиотек заняты книгами, в которых подробно исследуются его глубокие следствия. В принципе вся сумма знаний по химии может быть сведена к решениям этого уравнения.

В 1905 г. Эйнштейн показал, что световые волны могут вести себя наподобие частиц; это значит, что они MOiyr быть описаны как пакеты энергии, известные под названием фотонов. Но примерно к 1920 г. Шрёдингеру стало очевидно, что обратное тоже верно: частицы, к примеру электроны, могут вести себя подобно волнам. Эту идею первым высказал французский физик Луи де Бройль, удостоенный за эту гипотезу Нобелевской премии. (Мы в университете наглядно демонстрируем это студентам. Для этого мы выстреливаем электронами в катодную лучевую трубку, в точности такую, как в телевизоре. Электроны проходят через крошечное отверстие, так что на экране вроде бы должна появиться маленькая светлая точка. Вместо этого вы обнаружите там концентрические волнообразные круги — точно такие, какие можно ожидать при прохождении через отверстие волны, а не частицы.)

Как-то Шрёдингер читал лекцию об этом любопытном феномене. Один из присутствовавших в зале коллег-физиков Питер Дебай задал вопрос: «Если электрон можно описать как волну; то как выглядит его волновое уравнение?»

С тех пор как Ньютон создал дифференциальное исчисление, физики описывали любую волну на языке дифференциальных уравнений, поэтому Шредингер воспринял вопрос Дебая как вызов и решил написать дифференциальное уравнение для электронной волны. В том же месяце Шредингер ушел в отпуск, а вернулся уже с готовым уравнением. Как Максвелл в свое время взял физические поля Фарадея и вывел уравнения Максвелла для света, Шредингер взял частицу-волну де Бройля и вывел уравнение Шрёдингера для электронов.

(Историки науки потратили немало усилий, пытаясь выяснить в точности, где был и чем занимался Шрёдингер, когда открыл свое знаменитое уравнение, навсегда изменившее современную физику и химию. Оказалось, что Шредингер был сторонником свободной любви и на отдых часто ездил с женой и любовницами. Он также вел подробный дневник, в который заносил всех своих многочисленных любовниц и сложным шифром обозначал каждую встречу. В настоящее время считается, что те выходные, когда было открыто уравнение, Шредингер провел в Альпах, на вилле «Хервиг», с одной из своих подружек.)

Начав решать свое уравнение для атома водорода, Шредингер, к немалому своему удивлению, обнаружил, что энергетические уровни электронов уже до него были точно установлены и опубликованы другими физиками. После этого он понял, что старая модель атома, принадлежащая Нильсу Бору, — та самая, где электроны носятся вокруг ядра и которую до сих пор рисуют в книгах и рекламных проспектах как символ современной науки — на самом деле неверна. Круговые орбиты электронов вокруг ядра атома необходимо заменить волнами.

Можно сказать, что работа Шрёдингера встряхнула физическое сообщество и, подобно брошенному камню, тоже породила разбегающиеся волны. Физики вдруг обнаружили, что могут заглянуть непосредственно в атом, подробно исследовать волны, из которых состоят его электронные оболочки, и точно предсказать их энергетические уровни.

Но оставался еще один вопрос, который не дает физикам покоя даже сегодня. Если электрон описывается как волна, то что же в нем колеблется? Ответ на этот вопрос дал физик Макс Борн; он сказал, что эти волны представляют собой не что иное, как волны вероятности. Они сообщают только о том, с какой вероятностью вы обнаружите конкретный электрон в определенное время в определенной точке. Другими словами, электрон — это частица, но вероятность обнаружить эту частицу задается волной Шрёдингера. И чем выше волна, тем больше шансов обнаружить частицу именно в этой точке.

Получается, что внезапно в самом сердце физики — науки, которая прежде давала нам точные предсказания и подробные траектории любых объектов, начиная с планет и комет и кончая пушечными ядрами, — оказались понятия шанса и вероятности.

Гейзенберг сумел формализовать этот факт, предложив принцип неопределенности^[9] — постулат о том, что невозможно знать точную скорость и точное положение электрона в один и тот же момент. Невозможно точно определить и его энергию в заданный промежуток времени. На квантовом уровне нарушаются все фундаментальные законы здравого смысла: электроны могут исчезать и вновь возникать в другом месте, а также находиться одновременно в нескольких местах.

(По иронии судьбы и Эйнштейн, крестный отец квантовой теории, принимавший участие в революционных преобразованиях 1905 г., и Шрёдингер, автор волнового уравнения, пришли в ужас от появления случайных процессов в фундаментальной физике. Эйнштейн писал: «Квантовая механика вызывает огромное уважение. Но внутренний голос подсказывает мне, что это не то, что нужно. Эта теория многое объясняет, но едва ли приближает нас хоть сколько-то к тайне Бога. По крайней мере о себе могу сказать точно: я убежден, что Он не играет в кости».)

Теория Гейзенберга была революционной и противоречивой, но работала. С ее помощью физикам удалось одним махом объяснить огромное число загадочных явлений, включая законы химии. Объясняя своим аспирантам странность и причудливость квантовой теории, я иногда прошу их рассчитать вероятность того, что атомы их тел вдруг разбегутся и соберутся заново по другую сторону кирпичной стены. Подобная телепортация запрещена в ньютоновской физике, но никак не противоречит законам квантовой механики. Ответ, однако, заключается в том, что такого события пришлось бы ждать до конца жизни вселенной и даже дольше. (Если бы вы при помощи компьютера построили график шрёдингеровой волновой функции для собственного тела, то выяснилось бы, что она очень сильно напоминает само тело, но выглядит как бы чуть-чуть лохматой, так как некоторые из ваших волн расползаются за его пределы во всех направлениях. Некоторые из них достигают даже отдаленных звезд. Поэтому существует все же крошечная вероятность того, что однажды вы вдруг проснетесь на далекой чужой планете.)

Тот факт, что электроны, по-видимому, могут находиться во многих местах одновременно, составляет фундамент всей химии. Мы думаем, что электроны обращаются вокруг ядра атома, как тела миниатюрной Солнечной системы. Но между атомом и Солнечной системой есть принципиальные различия. При столкновении в космосе двух Солнечных систем они неизбежно развалятся, планеты при этом отбросит в разных направлениях. Атомы же, сталкиваясь, часто делятся друг с другом электронами и образуют вполне стабильные молекулы. В старших классах школы учитель часто говорит ученикам про «размазанный электрон», напоминающий продолговатый мяч для регби; он соединяет два атома между собой.

Но вот о чем учителя химии почти никогда не рассказывают ученикам. Электрон, о котором идет речь, вовсе не «размазан» между двумя атомами. На самом деле этот «мяч для регби» представляет вероятность того, что электрон находится одновременно во множестве мест внутри данного объема. Другими словами, вся химия, изучающая и объясняющая строение молекул, из которых состоят наши тела, основана на представлении о том, что электроны могут находиться одновременно в нескольких местах; именно такое «совместное владение» электронами, которые умудряются одновременно принадлежать двум атомам, удерживает на месте атомы в молекулах нашего тела. Без квантовой теории наши молекулы и атомы распались бы в мгновение ока.

Этим причудливым, но принципиальным свойством квантовой теории (тем фактом, что существует ненулевая вероятность даже самых странных событий) воспользовался Дуглас Адаме в своем веселом романе «Автостопом по галактике». Автору нужен был удобный способ носиться по всей галактике, поэтому он придумал «двигатель бесконечной невероятности», «чудесный новый способ преодоления громадных межзвездных расстояний за ничтожнейшую долю секунды без нудного блуждания в гиперпространстве». Его машина позволяет произвольно менять вероятность любого квантового события, так что даже чрезвычайно маловероятные события становятся обычными и привычными. В общем, если хотите отправиться в ближайшую звездную систему, нужно просто изменить вероятность вашей рематериализации именно там,' и все! Дело сделано! Вы мгновенно телепортируетесь в нужное место.

На самом деле квантовые «скачки», столь обычные внутри атома, невозможно легко перенести на крупные объекты вроде людей, состоящие из триллионов и триллионов атомов. Даже если электроны в нашем теле прыгают и скачут с места на место в своем фантастическом путешествии вокруг ядра, их так много, что прыжки усредняются и сглаживаются. Именно поэтому, говоря упрощенно, на нашем уровне вещества представляются твердыми и неизменными.

Итак, хотя на атомном уровне телепортация разрешена, чтобы дождаться подобного странного события на макроскопическом уровне, придется ждать до гибели нашей Вселенной и даже дольше. Но можно ли воспользоваться законами квантовой теории и создать машину для телепортации объектов по требованию, как происходит в научно-фантастических произведениях? Как ни удивительно, ответ однозначен: да, можно.

Эксперимент ЭПР

Ключ к квантовой телепортации кроется в знаменитой работе 1935 г. Альберта Эйнштейна и его коллег Бориса Подольского и Натана Розена. По иронии судьбы трое ученых ставили своей целью раз и навсегда покончить с присутствием вероятности в физике, предложив с этой целью мысленный эксперимент, получивший название эксперимент ЭПР по первым буквам фамилий авторов. (Сокрушаясь по поводу бесспорного экспериментального успеха квантовой теории, Эйнштейн писал: «Чем больший успех имеет квантовая теория, тем глупее она выглядит».)

Если два электрона первоначально колеблются в унисон (такое состояние называется когерентным), то они способны сохранить волновую синхронизацию даже на большом расстоянии друг от друга. Даже если эти электроны окажутся разделены световыми годами, невидимая шрёдингерова волна все равно будет связывать их между собой подобно пуповине. Если с одним из электронов что-то произойдет, то какая-то часть информации об этом событии будет немедленно передана второму. Это явление называется квантовой запутанностью и основано на концепции о том, что когерентные частицы обладают какой-то глубинной связью.

Возьмем (мысленно, разумеется) два когерентных электрона; раз они когерентны, значит, колеблются в унисон, Затем позволим этим электронам разлететься в противоположных направлениях. Каждый электрон подобен вертящемуся волчку, причем его вращение (спин) может быть направлено вверх или вниз. Пусть полный спин системы равняется нулю, так что если известно, что спин одного электрона направлен вверх, то спин другого точно направлен вниз. Согласно квантовой теории перед измерением спин электрона не направлен ни вверх, ни вниз; электрон находится в неопределенном состоянии, он как бы вращается вверх и вниз одновременно. (Стоит вам произвести наблюдение, как волновая функция «схлопывается», оставляя частицу в одном конкретном состоянии из всех возможных.)

Далее измерим спин одного электрона. Скажем, он вращается вверх. Значит, мы мгновенно узнаем, что другой электрон вращается вниз. Даже если электроны разделены в пространстве многими световыми годами, мы будем мгновенно знать спин второго из них, как только измерим спин первого. Мало того, мы получим эту информацию быстрее, чем со скоростью света! Поскольку два наши электрона «запутаны», т.е. их волновые функции колеблются в унисон, эти самые волновые функции связаны невидимой «нитью» или пуповиной. Все, что происходит с одной частицей, автоматически отражается на другой. (В каком-то смысле это означает, что все, что происходит с нами, автоматически и мгновенно влияет на события, происходящие в отдаленных уголках вселенной, ведь наши волновые функции, вероятно, «запутаны» еще с начала времен. В каком-то смысле можно сказать, что существует паутина «запутанности», которая связывает отдаленные уголки вселенной, включая и нас с вами.) Эйнштейн иронически называл это явление призрачным дальнодействием и «доказывал» с его помощью, что квантовая теория неверна, поскольку ничто не может переноситься с места на место быстрее, чем со скоростью света.

Первоначально Эйнштейн считал мысленный эксперимент ЭПР похоронным звоном по квантовой теории. Но в 1980-х гг. Алан Аспект с коллегами провел во Франции реальный эксперимент с двумя детекторами, расположенными на расстоянии 13 м друг от друга. Он измерял спины фотонов, испускаемых атомами кальция, и полученные результаты в точности совпали с положениями квантовой теории. Очевидно, Господь все же играет в кости с нашей Вселенной.

Действительно ли информация в этом случае передается быстрее, чем со скоростью света? Неужели Эйнштейн ошибся и скорость света не является предельной скоростью нашей Вселенной? На самом деле все обстоит не совсем так. Да, информация действительно передается быстрее света, но информация эта случайна, а потому бесполезна. Методом, описанным в эксперименте ЭПР, невозможно передать настоящее послание, скажем, азбукой Морзе, с какой бы скоростью ни передавалась информация.

Знание о том, что некий электрон на другом конце вселенной вращается вниз, бесполезно. Этим методом невозможно передать свежую информацию о биржевых котировках. Приведем наглядный пример. Предположим, что один из наших приятелей всегда носит разноцветные носки, красный и зеленый, не обращая внимания на то, какой цвет окажется на какой ноге. Скажем, мы осматриваем одну ногу и выясняем, что на ней красный носок. Значит, мы узнаем быстрее, чем со скоростью света, что на другой ноге зеленый носок. Информация действительно дошла до нас быстрее света, но она совершенно бесполезна. Этим методом невозможно передать сигнал, который содержал бы неслучайную информацию.

Много лет эксперимент ЭПР приводили как яркий пример торжества квантовой теории, но торжество получалось бесплодным и не давало никакой практической выгоды. До недавнего времени.

Квантовая телепортация

Все изменилось в 1993 г., когда ученые из IBM^[10] под руководством Чарльза Беннетта продемонстрировали всем принципиальную возможность телепортировать с использованием эксперимента ЭПР материальные объекты, по крайней мере на атомном уровне. (Точнее говоря, они продемонстрировали возможность передачи полной информации о частице.) За прошедшие годы физики научились передавать фотоны и даже целые атомы цезия. Возможно, через несколько десятилетий ученые смогут телепортировать первую молекулу ДНК и первый вирус.

Квантоваятелепортация использует одну из самых причудливых особенностей эксперимента ЭПР. В своих экспериментах физики начинают с того, что берут два атома, А и С. Предположим, мы хотим телепортировать информацию от атома А к атому С. Для этого мы вводим третий атом В, запутанный с атомом С (т.е. В и С когерентны). Затем атом А вступает в контакт с атомом В и «сканирует» его таким образом, что информационное содержание атома А передается атому В. В ходе этого процесса атомы А и В запутываются. Но поскольку первоначально В был запутан с атомом С, теперь информация, содержавшаяся в А, передается также и в атом С. Результат таков: атом А был телепортирован в атом С, т. е. теперь информационное содержание А идентично информационному содержанию С.

Обратите внимание на то, что информация, содержавшаяся перед началом эксперимента в атоме А, была уничтожена (т.е. после эксперимента мы не получаем двух идентичных копий). Это означает, что если представить себе телепортацию человека, то человек этот должен будет умереть в процессе передачи. Но зато информационное содержание его тела появится где-то в другом месте. Обратите внимание также на то, что атом А как таковой не переместился на позицию атома С. Напротив, С получил от А только информацию, которая в нем содержалась, например характеристики спина и поляризации. (Это не означает, что атом А был разобран и перенесен на другое место. Это означает, что информационное содержание атома А было передано другому атому — С.)

После первого объявления о прорыве между разными группами ученых началось яростное соревнование. Первая историческая демонстрация, в ходе которой осуществлялась телепортация фотонов ультрафиолетового света, состоялась в 1997 г. в Университете Инсбрука. Через год экспериментаторы из Калифорнийского технологического института провели еще более точный эксперимент по телепортации фотонов.

В 2004 г. физики Венского университета сумели телепортировать частицы света на расстояние 600 м под рекой Дунай по оптоволоконному кабелю, установив таким образом новый рекорд. (Сам кабель имел длину 800 м и был протянут под Дунаем ниже системы городской канализации. Передатчик располагался на одном берегу реки, приемник — на другом.)

Одно из возражений, которые выдвигают критики этих экспериментов, заключается в том, что ученые работают с частицами света, фотонами. Пока результат «не тянет» на научную фантастику. Поэтому очень важным стал другой эксперимент 2004 г., когда квантовую телепортацию удалось продемонстрировать уже не на фотонах, а на настоящих атомах. Это шаг в нужном направлении, к созданию реального телепортационного устройства. Физики из Национального института стандартов и технологии в Вашингтоне сумели «запутать» три атома бериллия и передать свойства одного атома другому. Достижение было настолько значительным, что попало на обложку журнала Nature. Другая группа тоже добилась успеха, но уже с атомами кальция.

В 2006 г. произошло еще одно значительное событие: впервые в подобных экспериментах был задействован макроскопический объект. Физики из Института Нильса Бора в Копенгагене и Института Макса Планка в Германии сумели запутать луч света и газ, состоящий из атомов цезия; в этом событии участвовали многие триллионы атомов. После этого они закодировали информацию, содержащуюся в лазерных вспышках, и телепортировали ее атомам цезия через расстояние примерно в полметра. Как пояснил один из исследователей Евгений Ползик, впервые была проведена квантовая телепортация «между светом — носителем информации — и атомами».