Квантовая телепортация

Квантовая телепортация

Квантовый мир – самая загадочная часть Вселенной. Вы уже знаете о квантовом бессмертии, открывающем окно в параллельные миры, а сегодня мы поговорим о не менее интересном и загадочном явлении, в науке получившем название квантовая телепортация. Что же это такое и как оно работает, сейчас будем разбираться.

В 2017-ом году китайские ученые смогли телепортировать фотоны света с Земли на космический спутник. Подобные операции проводились еще в далеком 1997-ом, но лишь в лаборатории. А китайцам удалось сделать это на действительно большое расстояние.

Заглянем еще чуть дальше, в 2012-ый. Место действия: Канарские острова. Телепортация фотонов осуществлена между двумя островами. На тот момент это был настоящий рекорд. Китайским ученым понадобилось почти пять лет, чтобы его побить. И сделали они это по-настоящему эпично, увеличив его более чем на 500 км.

Кто в детстве не мечтал о варп-двигателях из Стартрека, позволяющих мгновенно преодолевать огромные космические расстояния? Все мечтали, даже не пытайтесь отговариваться. Но здравый смысл всегда давил на то, что телепортация так и останется элементом фантастических книг и фильмов. Но вы только что узнали о первых звоночках того, что это вполне реально. Однако не стоит думать, что сейчас все откажутся от автомобилей и станут пользоваться телепортами. Нет, потому что квантовая физика не похожа на физику нашего макромира. Они там вообще живут по своим законам и творят, что хотят. В мире квантов даже невозможное вполне возможно, и телепортация не стала исключением. Однако, нам все равно интересно понять, как это все происходит. По крайней мере, мне интересно, если вам тоже, то пойдемте дальше. С чего начать? Думаю, с начала. Квантовая телепортация невозможна без квантовой запутанности, вот о ней сразу и поговорим.

Что такое квантовая запутанность?

Представьте две квантовые частицы, связанные друг с другом. И связаны они зеркально. То есть все, что происходит с одной из них, отражается и в другой. Если вам сложно представить две квантовые частицы, вообразите себе два сломанных компаса. Их стрелки не показывают на север, а просто вращаются с бешеной скоростью в разные стороны. И вот, когда стрелка одного компаса останавливается в каком-либо случайном направлении, стрелка второго принимает то же самое положение. То же самое и с частицами. Когда две частицы принимают одно и то же состояние, как бы разделяя его друг с другом, они называются запутанными.

Как происходит квантовая телепортация?

Объясняю на примере успеха китайских ученых. Для этого снова обратимся к вашему воображению. Представьте себе пару запутанных фотонов света. Что такое фотоны, объяснять, думаю, не требуется.

Квантовая телепортация

Один фотон остается у вас, а другой вы лазером отправляете на спутник, находящийся на околоземной орбите. Скрестите пальцы и надейтесь, что этот фотон таки достигнет своей цели. Допустим, все прошло успешно: один фотон на Земле, другой в космосе, что дальше? А дальше настало время для магии. Частицы, как вы знаете, находятся в состоянии суперпозиции, пока на них не окажется какое-либо воздействие. Об этом детально написано в статье о квантовом бессмертии, можете почитать, будет интересно, обещаю. Так вот, чтобы частица приняла одно положение, достаточно просто направить на нее любой оптический прибор, так как даже наблюдение является воздействием. То есть, грубо говоря, мы просто смотрим на фотон, который находится на Земле, и он мгновенно принимает одно положение. Тем временем фотон, находящийся в космосе принимает абсолютно то же самое положение. Вот вам и вся квантовая телепортация. Информация от одного фотона к другому передается с неимоверной скоростью. Они буквально одновременно принимают одно и то же состояние. Вы только глянули на один фотон, а второй уже такой же.

Как понять, что спутник получил именно тот фотон, что нужно?

Да очень легко. На помощь приходит великая и ужасная спектральная фильтрация. С ее помощью фотоны маркируются, позволяя ученым отслеживать их перемещение. Каждый фотон получает свой уникальный идентификатор, и перепутать их невозможно.

Для большей уверенности скажу, что в опыте китайских ученых использовалось самое передовое оптическое оборудование, которое как на Земле, так и на спутнике было направлено друг на друга. Таким образом оптика спутника не видела ничего, кроме источника света с Земли, и наоборот.

Спектральная фильтрация – достаточно надежный процесс. Он отклоняет другие шумы и позволяет сосредоточиться именно на одном нужном фотоне. Вспомните 2012-ый и опыт на Канарских островах. Он вообще проводился днем при ярком солнечном свете, и фильтрация держала все под контролем.

Почему с Земли отправили миллионы фотонов, а до спутника добралось меньше тысячи?

Здесь все дело в расстоянии. Чем дальше летит запутанный фотон, тем больший разброс. Примерно та же ситуация, что и с пулей в автомате. И, если на летящую пулю действует ветер, то на летящий фотон – целая движущаяся атмосфера Земли. Поэтому разброс становится гораздо больше.

Квантовая телепортация

Даже если атмосфера не мешала бы, все равно было бы очень сложно сфокусировать лазерный луч из Земли в космос. Сами проверьте: посветите лазерной указкой себе на руку – увидите маленькую точку. А посветите на дальнюю стену – точка станет гораздо больше. Закон дифракции, ребятки.

А теперь представьте, что то же самое вам нужно проделать с поверхности Земли на ее орбиту. Конечно, там и лазер помощнее, но вам все еще нужно попасть в маленькую точку на оптике спутника. Это все еще очень сложно, поэтому большая часть фотонов выстреливает, как говорится, в молоко.

Квантовая телепортация возможна лишь на очень короткое время. Казалось бы, это очень непрактичный способ, но другого пока нет, да и этому можно найти свое применение в науке.

Позволит ли это мгновенно передавать данные?

И да, и нет. Квантовая телепортация не подразумевает собой то, что вы привыкли ассоциировать со словом телепортация. Здесь материя не растворяется в одном месте и не появляется в другом. Запутанные фотоны лишь передают свое состояние друг другу. Вне квантовой телепортации, фотон будет преодолевать это расстояние физически. Пусть это и будет очень быстро, скорость света ведь, но все же не мгновенно, поэтому какая-никакая задержка все равно присутствует. Квантовая запутанность, можно сказать, позволяет одному фотону стать другим.

Для чего это все нужно?

Квантовая телепортация может доказать существование особой коммуникационной сети, которая при этом еще и надежно защищена. Так надежно, что любой из существующих алгоритмов шифрования данных меркнет перед возможностями этой телепортации. При ней отправленное сообщение получает только тот, кому оно адресовано. То есть, если у вас есть две запутанные частицы, то передавая данные из одной к другой, их никто не сможет перехватить, и вы можете быть уверены, что это сообщение 100% попадет адресату и никому другому.

Пока это все лишь в теории, но возможно, подобного рода процессы когда-нибудь смогут в корне перевернуть наше представление о передаче информации.