Квантова телепортація ще більш дивна

Минулого тижня у ВПС з’явився заголовок: «Вперше об’єкт переміщували на земну орбіту». Це повідомлення, можливо, саме фантастичне з того, що ви прочитали протягом року.
Майбутнє, яке так часто обіцяла наукова фантастика, здається, вже стає реальністю. Насправді не все так просто, пише Філіп Болл для видання Nature.
Йдеться про повідомлення китайських вчених, які заявляють, що їм вдалося передати квантовий стан фотона на Землі до іншого фотону на супутнику на низькій навколоземній орбіті (приблизно 1400 км). Вперше це явище продемонстрували в лабораторії 20 років тому, і його назва – квантова телепортація.
Необізнаних людей назва може ввести в оману. В докладному описі експерименту у виданні Discover мова йшла про те, що вчені «успішно перенесли квантові заплутані частинки». Це супроводжує кілька туманне пояснення про те, що «на відміну від телепортації в науковій фантастиці, нічого фізичної не було переміщено».
Але хіба інформація не фізична? Фізичну природу інформації обґрунтовував ніхто інший, як фізик Рольф Ландауер, один із засновників інформаційної теорії. Якщо ви не відправляєте нічого фізичної, то як ви взагалі можете відправити з точки А в точку Б?
Це — одна з глибоких проблем, про яку досі сперечаються фізики і філософи. Ми можемо дискутувати про те, квантова телепортація — це точний термін, який описує наукову ідею, чи, може, тільки гучна міхур, що вводить в оману. Але справжнє питання — що саме передається при квантової телепортації і як? — стосується набагато більш глибоких наукових проблем.
Коли фізики Ешер Перес і Вільям Вутерс ще в 1993 році вирішили назвати це явище «телеферезом», малоймовірно, що ми б побачили заголовки в пресі з таким словом. Їх співавтор Чарльз Беннет запропонував більш гучний термін «квантова телепортація».
Цей процес можна називати по-різному, але суть його така: він стирає квантовий стан однієї частинки і переносить його на іншу, ідентичну їй.
Наслідки цього процесу неможливо відрізнити від справжньої телепортації частинки з точки А в точку Б. тобто насправді фізичного переміщення немає, але зовні виглядає так, ніби воно сталося. Ключовим, однак, тут є те, що все це працює тільки тоді, коли ви не знаєте, яку «інформацію» передаєте, тобто квантовий стан оригінальної частинки.
Телепортація квантового стану грунтується на явищі квантової заплутаності. Коли дві або більше частинок заплутані між собою, їх квантові стани взаємопов’язані, незважаючи на відстань між ними. Вони, власне, діють як єдиний квантовий об’єкт, який описує одна і та ж хвильова функція.
Процес починається з заплутування пари частинок з метою встановлення між ними квантового комунікаційного каналу. Частина А містить відправник (назвемо його Еліс), а В відправляється одержувачу (Бобу). Так як частинки заплутані і, отже, взаємозалежні, якщо Еліс виконує фізичну операцію на своїй частинці, вона в ту ж мить відображається на частинці у Боба. Але у Еліс є ще і третя частина З: її квантового стану вона не знає, але хоче телепортувати її Бобу.
Щоб виконати цю процедуру, Еліс проводить спеціальне вимір, назване вимірюванням Белла, разом на частинках А і С. Це, власне, не повідомляє про її стан, в якому перебуває С. Але, через заплутаність між А і В, тепер може трансформуватися в стан, який оригінально було в С, якщо Боб проведе правильну операцію. Провівши вимірювання, Еліс стерла це стан в самій С.
Але яку операцію повинен провести Боб, щоб завершити телепортацію? Він може зробити висновок про це за результатами Элисового вимірювання Белла. Воно повинне повідомити йому цей результат якимось класичним способом — по е-мейлу, телефону або хоча б поштовим голубом. Як тільки він отримує його, Боб знає, що потрібно зробити, щоб перевести У оригінальна стан С.
Поширеним є погляд, що квантова телепортація — це новий спосіб передачі інформації, така собі різновид високошвидкісного Wi-Fi. Але найдивнішим у цьому є те, що інформація відправляється моментально, тобто швидше світла, адже лише так спілкуються дві заплутані частинки.
Але хіба це не забороняє спеціальна теорія відносності Альберта Ейнштейна? Так, і ця заборона пов’язана із самою суттю заперечення Ейнштейна проти явища квантової заплутаності (яке він називав «моторошним дією на відстані»). Власне, спеціальна теорія відносності накладає заборону на причинно-наслідковий зв’язок зі швидкістю, більшою швидкості світла: подія в одному місці не може мати фізичних спостережуваних наслідків в іншому місці швидше, ніж відстань між двома місцями подолає промінь світла. Але квантова телепортація не переносить причинно-наслідкового зв’язку зі швидкістю, більшою швидкості світла, оскільки, щоб завершити процес, вам також потрібен класичний канал, обмежений принаймні до швидкості світла.
Ключовим тут є те, що це неповторне стан ніколи не вимірюється безпосередньо. Саме те, що ця інформація залишається прихованою під час телепортації і знищується у оригіналу, забезпечує те, що в неї ніколи немає дубліката. Цей процес ґрунтується на фундаментальному принципі в квантовій механіці, який можна назвати «Немає клонування»: неможливо зробити копію випадкового (невідомого) квантового стану.
Ця заборона призводить до проблем, пов’язаних із виправленням помилок у квантових комп’ютерах, а також робить технологію квантової криптографії, завдяки якій неможливо непомітно перехопити повідомлення, закодоване в квантові стани.
Принцип «Немає клонування» — це щось більше, ніж технічне ускладнення квантової інформаційної технології. Деякі дослідники підозрюють, що це не просто послідовність правил квантової механіки, а глибока, майже фундаментальна аксіома, завдяки якій з’являються контринтуитивные квантові феномени, такі як заплутаність.
Так що саме передається через квантову телепортацію? Це складне питання для квантової інформаційної теорії. Не зрозуміло, що ми маємо тут на увазі під словом «інформація». Як і у випадку інших розмовних слів, запозичених наукою, легко уявити, що ми маємо під ними на увазі, але важко пояснити. Те, що передається шляхом квантової заплутаності, не є інформацією в сенсі інформаційної теорії Клода Шеннона (в якій її можна обчислити в термінах ентропії, яка зростає, коли повідомлення стає більш випадковим), ні інформації в сенсі офісного нагадування (в якому інформація набуває сенс тільки в правильному контексті). Тому, власне, про що ця інформація?
Ця проблема лежить в самій серцевині квантової інформаційної теорії. Чи це інформація, наприклад, про якусь об’єктивну реальність чи наше втручання в неї? Універсальна вона для всіх спостерігачів або особиста для кожного з них? Можна говорити про квантову інформацію, немов рідина, що тече в трубі з місця на місце? Ніхто не має відповідей на ці питання. Якщо б ми могли відповісти на них, ми, нарешті, наблизилися до розгадки того, що означає квантова механіка.
Тому справжня дивина квантової телепортації стосується навіть не того, для чого ми можемо використовувати цю технологію, а того, що вона відкриває нам про квантову структуру природи.