Что такое телепортация
Телепортация (от греческого «далеко» и латинского «нести») — гипотетическое мгновенное перемещение объекта на любое расстояние со скоростью быстрее скорости света. Этот термин ввел в употребление американский публицист, исследователь «непознанного», Чарльз Хой Форт после публикации в 1931 году книги «Вулканы небес» о парапсихологии и сверхъестественном. Правда тогда понятие имело мало общего с наукой.
Когда мы думаем о способах телепортации, первое, что приходит в голову — кротовые норы (они же червоточины), которые не отрицает теория относительности. Согласно ней, наша Вселенная изгибается в четвертом пространственном измерении, и в некоторых местах возможны пограничные зоны, где пространство удалено друг от друга, но при этом приближается довольно близко друг к другу сквозь четвертое измерение. При определенных условиях две разные точки трехмерного пространства сольются в одну через дополнительное измерение, образуя тоннель. Шагнул в такое — и переместился мгновенно на миллиарды световых лет. Казалось бы, все просто, но для того, чтобы человека в этом тоннеле не «размазало», его стенки нужно укрепить специальной материей, которая и будет держать их в стабильном состоянии. А такой материи у людей пока нет.
Второй способ телепортации — квантовый. Доказал, что она возможна, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, который, однако, пытался заявление о возможности телепортации опровергнуть. О том, что такое квантовая телепортация и как она работает, поговорим подробнее.
Квантовая телепортация
Квантовая телепортация означает возможность мгновенной передачи состояния с одной частицы на другую независимо от того, как далеко друг от друга они находятся. Обязательным условием для проведения квантовой телепортации является наличие набора одинаковых атомов в точке отправления состояния и в точки получения состояния. То есть квантовая телепортация не имеет ничего общего с материальным перемещением объекта.
Эйнштейн открыл это явление в 1935 году в соавторстве с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном. Ученые доказали, что состояние двух частиц А и Б, однажды провзаимодейстовавших и разлетевшихся в разные направления после соударения, зависит друг от друга на любом расстоянии и эта зависимость проявляется мгновенно. Например, у нас есть две частицы А и Б, они однажды были во взаимодействии, и мы знаем, что сумма их спинов (моментов импульса) всегда равна нулю, при этом спин частицы А направлен вверх, а спин Б — вниз. Как бы далеко мы не разнесли эти частицы, при изменении спина частицы А вниз, спин частицы Б будет мгновенно направляться вверх.
Примеры телепортации
В мире есть много нашумевших примеров телепортации, которые на деле оказались фейками. Один из самых громких примеров — телепортация матки муравьев атта. Данное явление было открыто натуралистом Айвеном Сандерсоном. Он проводил серию опытов — помещал женскую особь насекомого, отмеченную красной краской, в бункер. Когда бункер был открыт, особь оставалась в нем, но как только бункер закрывали, матка тут же исчезала и ученые находили ее в нескольких метрах от места опыта. Впрочем, современная наука не допускает возможности телепортации макроскопических тел; физики не подтвердили опыты Сандерсона.
Еще один пример — телепортация американского военного корабля. По легенде, в 1943 году ВМС США проводил эксперимент с эсминцем «Элдридж», который вначале находился в американском городе Норфолке и в этот же день «телепортировался» на 320 км в Филадельфию. Факт проведения эксперимента по телепортации ВМС США опровергли, а «мгновенное» перемещение корабля мореплаватели объяснили наличием канала, по которому эсминец мог быстро добраться из одного города в другой.
Но есть и реальные случаи телепортации — квантовой, — возможность которых доказана и объяснена физиками. В 1997 году под руководством Антона Цайлингера из Инсбрукского университета и Франческо де Мартини из Римского университета прошла первая в мире экспериментальная квантовая телепортация поляризационного состояния фотона. А уже в 2004 году физики Венского университета телепортировали фотоны на расстояние 600 м через Дунай.
Возможна ли телепортация?
Отсюда ответ на главный вопрос — да, телепортация сегодня возможна, но ограничена законами физики.
«Несмотря на многообещающее название, квантовая телепортация — это всего лишь процедура, в результате которой получатель в ходе согласованного классического сеанса связи с отправителем может восстановить на своей стороне квантовое состояние, которое было у отправителя. Исходное квантовое состояние отправителя при этом уничтожается. То есть возможна лишь передача квантовой информации, а не макрообъектов», — объясняет сотрудник лаборатории квантовой информатики Университета ИТМО Роман Гончаров.
Как объясняет Гончаров, есть ряд проблем с осуществлением квантовой телепортации, чаще всего связанных с несовершенством оборудования, и не позволяющих в полной мере переложить теорию на эксперимент. «Отсюда и возникают ограничения, например, по расстоянию. И хотя различные научные группы активно работают над усовершенствованием текущих схем и ищут новые подходы, в ближайшие несколько лет навряд ли получится приблизиться к серьезным изменениям. Оборудование может быть «идеальным» только в простых теоретических моделях», — добавляет ученый.
Что касается мгновенного перемещения живых существ, то руководитель научной группы «Квантовая оптика» в Российском квантовом центре и профессор Оксфордского университета Александр Львовский объясняет: теоретически наука не опровергает возможность квантовой телепортации человека, т.к. мы сами состоим из кислорода, водорода и углерода с небольшой добавкой других химических веществ.
«Если мы соберем нужное количество атомов нужных элементов, а затем с помощью телепортации приведем их в состояние, идентичное их состоянию в теле телепортируемого человека — получится тот самый человек. Я, конечно, предельно утрирую — от телепортации человека нас отделяет целая вечность. Однако суть вопроса именно в этом: идентичные квантовые частицы встречаются везде, а вот привести их в нужное квантовое состояние совсем непросто», — заявил он изданию N+1.
Но телепортировать живого человека у ученых едва ли получится и через века — как отмечает Гончаров из ИТМО, «оригинал при телепортации уничтожается».
Телепортация в России и в мире сегодня
Опрошенные эксперты утверждают: у квантовой телепортации есть колоссальный технологический потенциал, и лежит он, в основном, в области связи и вычислительной техники. По словам руководителя научной группы «Квантовые информационные технологии» в Российском квантовом центре Алексея Федорова, одно из направлений, которым сегодня занимаются физики — увеличение расстояния для квантовых коммуникаций. Ученым это необходимо для создания криптографических ключей, которые используются для интернет-соединения и в мобильных банках.
«Сегодня для выработки криптографических ключей используются определенные классы математических алгоритмов, однако такой способ будет неустойчивым для атак с квантовым компьютером. Когда появится квантовый компьютер достаточной мощности, мы не сможем использовать нынешнее поколение математических алгоритмов, а вот квантовое распределение ключей абсолютно устойчивое», — говорит Федоров.
Одно из технических ограничений для использования квантового распределения ключей — это расстояние, на которое ключ может быть передан. «Сейчас максимальное расстояние распределения ключей с разумной скоростью составляет 100-200 км, и связано это с затуханием в канале передачи квантовых состояний (например, оптоволокне), то есть часть фотонов просто теряется. Чтобы это предотвратить, нужны квантовые повторители, которые могут строиться на основе квантовой телепортации. Поэтому эксперименты с квантовой телепортацией могут помочь нам увеличить расстояние для квантового распределения криптографических ключей», — объясняет Федоров.
За последние десятилетия ученые в мире регулярно делают новые открытия в квантовых коммуникациях. В конце 2019 года исследователи из Бристольского университета в Великобритании и Датского технического университета впервые смогли передать состояние между двумя чипами. Эти чипы, по заявлению ученых, способны кодировать квантовую информацию в свете и обрабатывать ее с высокой эффективностью и низким уровнем шума. Изобретение поможет человечеству создавать более сложные схемы для квантовых вычислений и коммуникаций.
Одним из научных центров в России, где сегодня изучают квантовую телепортацию, является Российский квантовый центр; там исследования ведутся группой ученых под руководством Александра Львовского. Схожие эксперименты проходят в лаборатории квантовой оптики Московского государственного университета.
На мировом уровне квантовой телепортацией занимается группа Юджина Ползика в институте Нильса Бора в Копенгагене, группа Антона Цайлингера в Австрии, Михаила Лукина в Гарвардском университете и группа Цзянь-Вэй Пана в Китае. Последней принадлежит рекорд по расстоянию передачи квантовой телепортации на 1 200 км.