В 1972 году Джон Клаузер и его покойный коллега Стюарт Фридман решили проверить гипотезы Белла, показав, что частицы, в данном случае фотоны, не содержат скрытой информации. Подход американских физиков заключался в том, чтобы передать свойства одной частицы другой, несмотря на огромные расстояния между ними.
Нобелевская премия по физике 2022: квантовая запутанность и телепортация
«Квантовая физика настолько сложна, что никто ее не понимает», — писал лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман. Это неудивительно, ведь даже Альберт Эйнштейн был настроен скептически и описывал явление квантовой запутанности как «сверхъестественное» и «сверхъестественное». Ирландский физик-теоретик Джон Белл и другие основатели квантовой механики подвергли сомнению вероятностный характер квантовой механики. Но, несмотря на все споры и разногласия, загадочный мир элементарных частиц стал движущей силой современной цивилизации: Интернет, компьютеры, смартфоны, лазеры, оптоволоконные сети и ядерная энергия — все это появилось благодаря квантовой науке. Представьте себе, к чему могут привести дальнейшие открытия, увеличивающиеся с каждым годом. Например, в 2022 году Нобелевскую премию по физике получат трое ученых, которые независимо друг от друга провели эксперименты с запутанными фотонами, зондированием и защищенной связью. Квантовая телепортация не исключается, но сначала о главном.
Нобелевская премия по физике 2022 года присуждена за исследования квантовой запутанности и технологии
Нобелевская премия 2022
Ежегодно Шведская королевская академия наук отмечает выдающиеся открытия в различных областях науки и способствует продвижению и популяризации науки в обществе. Всего за несколько лет научно-технический прогресс позволил физикам подтвердить существование черных дыр и гравитационных волн, разработать физические модели климата Земли и даже открыть далекие экзопланеты, вращающиеся вокруг звезд, похожих на Солнце, — все эти достижения были отмечены Нобелевскими премиями.
Нобелевская премия присуждается за достижения в области физиологии или медицины, физики, химии, экономики, литературы и миротворчества. Более подробную информацию о премии и ее учредителе можно найти здесь.
Квантовая запутанность — это когда две или более частиц запутываются друг с другом.
Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру. Премия была присуждена трем физикам за их эксперименты по квантовой запутанности, основанные на работах таких выдающихся ученых, как Нильс Бор, Альберт Эйнштейн и Джон Белл — все они хотели понять природу странного поведения элементарных частиц, которые находятся на большом расстоянии друг от друга и в то же время могут общаться друг с другом.
Как Королевская шведская академия
Запутанность и неравенство
Согласно принципам квантовой механики, частицы могут существовать одновременно в двух или более местах и не приобретать никаких формальных свойств до тех пор, пока их не наблюдают. Однако, как только вы наблюдаете положение или «вращение» элементарной частицы, вы становитесь наблюдателем ее партнера (независимо от расстояния между частицами). Именно это взаимодействие делает квантовую механику похожей на магию. Но как понять этот феномен?
Квантовая механика на примере обычных сфер
Представим себе машину, в которой находятся два «запутанных» шарика, которые мы не видим. Единственное, что мы знаем о них, это их серый цвет и две возможные характеристики — яйца могут быть только белыми и черными. Но если машина бросает их в противоположные стороны одновременно, наблюдатель ловит мяч и видит, что он белый — в ту же секунду второй мяч становится черным.
Это странное явление было объяснено с помощью «неравенства Белла», согласно которому частицы могут содержать секретную информацию или «скрытые переменные», определяющие их свойства. Если Белл прав, то скрытые параметры должны существовать в системе, подтверждая гипотезу локального реализма, где физические объекты существуют и влияют на свое непосредственное окружение.
Квантовая телепортация
Квантовая телепортация — это возможность мгновенной передачи состояния от одной частицы к другой, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Необходимым условием квантовой телепортации является существование набора идентичных атомов в местах отправки и получения. Это означает, что квантовая телепортация не имеет ничего общего с физическим перемещением объекта.
Сергей Вятчанин, профессор физического факультета МГУ, о квантовой телепортации и квантовой запутанности.
Эйнштейн открыл это явление в 1935 году в сотрудничестве с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном. Ученые доказали, что состояние двух частиц A и B, которые после столкновения разлетаются в разные стороны, зависит друг от друга на любом расстоянии, и что эта зависимость мгновенна. Например, у нас есть две частицы A и B, которые взаимодействовали один раз, и мы знаем, что сумма их спинов (угловой момент) всегда равна нулю, причем спин частицы A увеличивается, а спин частицы B уменьшается. Как бы далеко мы ни отодвинули эти частицы, если спин частицы A изменится в сторону уменьшения, спин частицы B сразу же будет направлен вверх.
Примеры телепортации
В мире существует множество впечатляющих примеров телепортации, которые оказались подделками. Один из самых известных примеров — телепортация муравьиной матки. Это явление было открыто натуралистом Иваном Сандерсоном. Он провел серию экспериментов, в ходе которых поместил самку насекомого, помеченную маркером, на тело насекомого-самца, а затем на тело насекомого-самца.
Другой пример — телепортация военного корабля США. Согласно легенде, в 1943 году ВМС США провели эксперимент с кораблем USS Eldridge, который первоначально был пришвартован в американском городе Норфолк и в тот же день был «телепортирован» на 200 миль в Филадельфию. Факт эксперимента по телепортации отрицался ВМС США, а «мгновенное» перемещение корабля штурманы объясняли существованием канала, по которому эсминец мог быстро перемещаться из одного города в другой.
Но действительно существуют случаи телепортации — квантовой телепортации, — возможность которой была продемонстрирована и объяснена физиками. В 1997 году под руководством Антона Цайлингера из Инсбрукского университета и Франческо Де Мартини из Римского университета была осуществлена первая в мире экспериментальная квантовая телепортация состояния поляризованного фотона. А в 2004 году физики из Венского университета перенесли фотоны на 600 метров вдоль Дуная.
Путешествие через кротовую нору в представлении художника NASA, 1998 год (Фото: wikipedia.org)
Возможна ли телепортация?
Отсюда ответ на главный вопрос: да, телепортация сегодня возможна, но она ограничена законами физики.
«Несмотря на свое многообещающее название, квантовая телепортация — это всего лишь процесс, с помощью которого получатель в ходе согласованного сеанса классической связи с отправителем может восстановить квантовое состояние отправителя. Таким образом, исходное квантовое состояние отправителя уничтожается. Это означает, что можно передавать только квантовую информацию, а не макрообъекты», — объясняет Роман Гончаров из Лаборатории квантовых вычислений Университета ИТМО.
Как объясняет Гончаров, существует множество проблем с применением квантовой телепортации, в основном связанных с несовершенством оборудования, которое не позволяет полностью перенести теорию в эксперимент. «Поэтому существуют ограничения, такие как расстояние. И хотя различные научные группы активно работают над совершенствованием существующих систем и поиском новых подходов, маловероятно, что в ближайшие несколько лет произойдут значительные изменения. Устройства могут быть «идеальными» только в простых теоретических моделях», — добавляет ученый.
Что касается мгновенного перемещения живых существ, Александр Львовский, руководитель исследовательской группы квантовой оптики Российского квантового центра и профессор Оксфордского университета, объясняет: «Теоретически наука не опровергает возможность квантовой телепортации человека, поскольку мы сами сделаны из кислорода, водорода и углерода с небольшим добавлением других химических веществ.
«Если мы соберем вместе нужное количество атомов нужных элементов, а затем телепортируем их в состояние, идентичное состоянию телепортированного человека, мы получим того же самого человека. Конечно, я преувеличиваю — до телепортации человека еще целая вечность. Однако суть вопроса заключается в следующем
