Квантовая физика
Телепортация: можно ли перемещаться быстрее света?
Телепортация, или способность мгновенно перемещать людей и предметы из одного места в другое, — это умение, которое может изменить направление развития цивилизации и повлиять на судьбы стран и народов. Например, вся бы транспортная система потеряла смысл. Здесь разберемся, какие ограничения существуют для реализации телепорта с физической точки зрения.
И снова квантовая теория
В рамках теории Ньютона телепортация откровенно невозможна. В рамках этого представление объект не может материализовать из неоткуда. Но в квантовой теории частицы способны проделывать именно такие фокусы. Кванты лишь описывают вероятность найти частицу в каком-то месте (состоянии).
Одним из основных постулатов квантовой физики является принцип неопределенности — невозможно знать точную скорость и точное положение частицы (например, электрона) в один и тот же момент времени. Также невозможно точно определить и энергию в заданный промежуток времени. Это и позволяет частице «возникать и исчезать» в разных местах. Все-таки существует лазейка для создания телепорта.
Теоретически, мы можем рассчитать, например, вероятность того, что человек, сидя на стуле, провалится сквозь него. Однако такого события пришлось бы ждать до конца жизни вселенной и даже дольше. (Если бы вы при помощи компьютера построили график шредингеровой 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.)
Но вот на атомном уровне «телепортация» вполне себе возможна.
В рамках теории Ньютона телепортация откровенно невозможна. В рамках этого представление объект не может материализовать из неоткуда. Но в квантовой теории частицы способны проделывать именно такие фокусы. Кванты лишь описывают вероятность найти частицу в каком-то месте (состоянии).
Одним из основных постулатов квантовой физики является принцип неопределенности — невозможно знать точную скорость и точное положение частицы (например, электрона) в один и тот же момент времени. Также невозможно точно определить и энергию в заданный промежуток времени. Это и позволяет частице «возникать и исчезать» в разных местах. Все-таки существует лазейка для создания телепорта.
Теоретически, мы можем рассчитать, например, вероятность того, что человек, сидя на стуле, провалится сквозь него. Однако такого события пришлось бы ждать до конца жизни вселенной и даже дольше. (Если бы вы при помощи компьютера построили график шредингеровой 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.)
Но вот на атомном уровне «телепортация» вполне себе возможна.
Эксперимент ЭПР
Ключ к квантовой телепортации кроется в знаменитой работе 1935 г. Альберта Эйнштейна и его коллег Бориса Подольского и Натана Розена (название дано по первым буквам фамилий авторов).
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.
Стоит нам произвести наблюдение, как волновая функция «схлопывается», оставляя электрон в одном конкретном состоянии из всех возможных. Например, если суммарное вращение системы равнялось нулю (спин системы равен нулю), а в процессе измерения мы узнали, как вращается первый электрон (например, спин вверх), то 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!
Ключ к квантовой телепортации кроется в знаменитой работе 1935 г. Альберта Эйнштейна и его коллег Бориса Подольского и Натана Розена (название дано по первым буквам фамилий авторов).
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.
Стоит нам произвести наблюдение, как волновая функция «схлопывается», оставляя электрон в одном конкретном состоянии из всех возможных. Например, если суммарное вращение системы равнялось нулю (спин системы равен нулю), а в процессе измерения мы узнали, как вращается первый электрон (например, спин вверх), то 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!
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.
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.
Квантовая телепортация
Уже есть примеры успешных экспериментов по телепортации (правда, до человека еще далеко). В 2006 г. ученым из Института Нильса Бора в Копенгагене и Института Макса Планка в Германии удалось телепортировать макроскопический объект (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.
Уже есть примеры успешных экспериментов по телепортации (правда, до человека еще далеко). В 2006 г. ученым из Института Нильса Бора в Копенгагене и Института Макса Планка в Германии удалось телепортировать макроскопический объект (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.
За прошедшие годы физики научились передавать фотоны и даже целые атомы цезия
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.
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.
Современные эксперименты по телепортации основываются на квантовой запутанности
Список литературы:
- Митио Каку. Физика невозможного, 2018
- А.М. Попов, О.В. Тихонова. Атомная физика, 2014
Автор: команда проекта Суперпозиция
