Kvantu teleportācija ir fiziska sastāvdaļa. Viss, kas jums jāzina par kvantu teleportāciju. Eksperimentālā kvantu teleportācija
A. ŠIŠLOVA. Balstīts uz materiāliem no žurnāliem "Daba" un "Zinātnes ziņas".
Smalkos fizikālos eksperimentos, šķiet, bija iespējams izdarīt to, ko visdrosmīgākie zinātniskās fantastikas rakstnieki uzskatīja tikai par nereālu fantāziju: pētot kādu no kādreiz saistītajām daļiņām, var uzreiz (ar superluminālo ātrumu!) no jebkura attāluma iegūt informāciju. par citas daļiņas stāvokli.
Zinātniskās fantastikas filmu un romānu varoņi jau sen ir apguvuši teleportāciju - ērtu veidu tūlītēja kustība laikā un telpā. Kas attiecas uz īsta dzīve, tad šeit šis turpina palikt tikai sapnis.
Neskatoties uz to, tālajā 1935. gadā Alberts Einšteins kopā ar saviem kolēģiem B. Podoļski un N. Rozenu ierosināja ja ne matērijas, tad informācijas teleportācijas eksperimentu. Šo superluminālās komunikācijas metodi sauc par EPR paradoksu.
Paradoksa būtība ir šāda. Ir divas daļiņas, kas kādu laiku mijiedarbojas, veidojot vienota sistēma. No kvantu mehānikas viedokļa šo savienoto sistēmu var aprakstīt ar noteiktu viļņu funkciju. Kad mijiedarbība apstājas un daļiņas aizlido ļoti tālu, tās joprojām tiks aprakstītas ar to pašu funkciju. Bet katras atsevišķās daļiņas stāvoklis principā nav zināms: tas izriet no nenoteiktības attiecības. Un tikai tad, kad viens no tiem ietriecas uztvērējā, kas fiksē savus parametrus, otram parādās (tie parādās, nevis kļūst zināmi!) atbilstošie raksturlielumi. Tas ir, ir iespējama daļiņas kvantu stāvokļa momentāna “pārnešana” neierobežoti lielā attālumā. Pašas daļiņas teleportācija un masas pārnešana nenotiek.
Lādiņš, kas sadalās divās daļās, uzvedas līdzīgi: ja tas pirms sprādziena bija nekustīgs, tā fragmentu kopējais impulss ir nulle. “Noķerot” vienu fragmentu un izmērot tā impulsu, jūs varat uzreiz noteikt otrā fragmenta impulsa lielumu neatkarīgi no tā, cik tālu tas lido.
Šodien vismaz divas zinātniskās grupas - Austrijas pētnieki no Insbrukas universitātes un itāļu pētnieki no La Sapienza universitātes Romā - apgalvo, ka viņiem ir izdevies teleportēt fotona īpašības laboratorijas apstākļos.
Eksperimenti Insbrukā nodeva "vēstījumus" ultravioletā starojuma polarizētu fotonu veidā. Šis fotons optiskā maisītājā mijiedarbojās ar vienu no savienoto fotonu pāra. Starp tiem, savukārt, radās kvantu mehāniskais savienojums, kas noveda pie jaunā pāra polarizācijas. Tādējādi eksperimentētāji sasniedza ļoti interesantu rezultātu: viņi iemācījās saistīt fotonus, kuriem nav kopīgas izcelsmes. Tas paver iespēju veikt veselu klasi principiāli jaunu eksperimentu.
Mērījumu rezultātā oriģinālā savienotā pāra otrais fotons arī ieguva zināmu fiksētu polarizāciju: “ziņotāja fotona” sākotnējā stāvokļa kopija tika pārraidīta uz attālo fotonu. Sarežģītākais izaicinājums bija pierādīt, ka kvantu stāvoklis patiešām ir teleportēts: tam bija precīzi jāzina, kā detektori ir novietoti, lai izmērītu kopējo polarizāciju, un bija nepieciešama rūpīga to sinhronizācija.
Tā vietā, lai izmantotu atsevišķu "vēstneša fotonu", itāļu pētnieki ierosināja vienlaikus apsvērt divas katras saistītās daļiņas īpašības: polarizāciju un kustības virzienu. Tas ļauj teorētiski tās aprakstīt kā atsevišķas daļiņas un tajā pašā laikā, veicot mērījumus tikai ar pirmo daļiņu, iegūt otrās īpašības, tai nepieskaroties - veikt teleportāciju.
Sasniedzot panākumus fotonu teleportācijā, eksperimentētāji jau plāno strādāt ar citām daļiņām – elektroniem, atomiem un pat joniem. Tas ļaus kvantu stāvokli pāriet no īslaicīgas daļiņas uz stabilāku. Tādā veidā būs iespējams izveidot glabāšanas ierīces, kurās fotonu atnestā informācija tiktu glabāta uz joniem, kas izolēti no vides.
Pēc uzticamu kvantu teleportācijas metožu izveides radīsies reāli priekšnoteikumi kvantu skaitļošanas sistēmu izveidei (sk. "Zinātne un dzīve" Nr. 6, 1996). Teleportācija nodrošinās uzticamu informācijas pārraidi un uzglabāšanu spēcīgu traucējumu fona apstākļos, kad visas pārējās metodes ir neefektīvas, un to var izmantot saziņai starp vairākiem kvantu datoriem. Turklāt pašas pētnieku izstrādātās metodes ir lieliska vērtība turpmākiem eksperimentiem kvantu mehānikā, lai pārbaudītu un pilnveidotu vairākas mūsdienu fizikālās teorijas.
Kas ir kvantu sapīšanās vienkāršos vārdos? Teleportācija - vai tā ir iespējama? Vai teleportācijas iespēja ir eksperimentāli pierādīta? Kas ir Einšteina murgs? Šajā rakstā jūs iegūsit atbildes uz šiem jautājumiem.
Mēs bieži sastopamies ar teleportāciju zinātniskās fantastikas filmās un grāmatās. Vai esat kādreiz domājuši, kāpēc tas, ko rakstnieki izdomāja, galu galā kļūst par mūsu realitāti? Kā viņiem izdodas paredzēt nākotni? Es domāju, ka tā nav nejaušība. Zinātniskās fantastikas rakstniekiem bieži ir plašas zināšanas par fiziku un citām zinātnēm, kas apvienojumā ar viņu intuīciju un neparasto iztēli palīdz veidot retrospektīvu pagātnes analīzi un simulēt nākotnes notikumus.
No raksta jūs uzzināsit:
- Kas ir kvantu sapīšanās?
Koncepcija "kvantu sapīšanās" radās no teorētiska pieņēmuma, kas izriet no kvantu mehānikas vienādojumiem. Tas nozīmē to: ja 2 kvantu daļiņas (tie var būt elektroni, fotoni) izrādās savstarpēji atkarīgas (sapinušās), tad savienojums saglabājas, pat ja tās ir sadalītas dažādās Visuma daļās.
Atvēršana kvantu sapīšanās zināmā mērā izskaidro teorētisko teleportācijas iespēju.
Īsāk sakot, tad spin Kvantu daļiņas (elektrons, fotons) sauc par pašas leņķisko impulsu. Spin var attēlot kā vektoru, bet pašu kvantu daļiņu - kā mikroskopisku magnētu.
Ir svarīgi saprast, ka tad, kad neviens nenovēro kvantu, piemēram, elektronu, tad tam ir visas spina vērtības vienlaikus. Šo kvantu mehānikas pamatjēdzienu sauc par “superpozīciju”.
Iedomājieties, ka jūsu elektrons vienlaikus griežas pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Tas nozīmē, ka viņš vienlaikus atrodas abos griešanās stāvokļos (vektors griežas uz augšu / vektors griežas uz leju). Ieviests? LABI. Bet, tiklīdz parādās novērotājs un mēra savu stāvokli, elektrons pats nosaka, kurš spin vektors tam jāpieņem – uz augšu vai uz leju.
Vai vēlaties uzzināt, kā tiek mērīts elektronu spins? Tas ir novietots magnētiskajā laukā: elektroni, kuru spins ir pretējs lauka virzienam, un ar spinu lauka virzienā, tiks novirzīti dažādos virzienos. Fotonu spini tiek mērīti, novirzot tos polarizējošā filtrā. Ja fotona spins (vai polarizācija) ir “-1”, tad tas neiziet cauri filtram, un, ja ir “+1”, tad iziet.
Kopsavilkums. Kad esat izmērījis viena elektrona stāvokli un konstatējis, ka tā spins ir “+1”, tad ar to saistītais vai “sapinies” elektrons iegūst spina vērtību “-1”. Un uzreiz, pat ja viņš atrodas uz Marsa. Lai gan pirms otrā elektrona stāvokļa mērīšanas tam bija abas spina vērtības vienlaikus (“+1” un “-1”).
Šis matemātiski pierādītais paradokss Einšteinam ļoti nepatika. Jo tas bija pretrunā ar viņa atklājumu, ka nav ātruma, kas būtu lielāks par gaismas ātrumu. Taču tika pierādīts sapinušo daļiņu jēdziens: ja viena no sapinušajām daļiņām atrodas uz Zemes, bet otrā atrodas uz Marsa, tad pirmā daļiņa, kas tiek izmērīta, momentā (ātrāk par gaismas ātrumu) pāriet uz 2. daļiņu informācija, kāda spin vērtība viņai ir jāpieņem. Proti: pretēja nozīme.
Einšteina strīds ar Boru. Kuram taisnība?
Einšteins sauca par "kvantu sapīšanos" SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (vācu valodā) vai biedējoša, spokaina, pārdabiska darbība no attāluma.
Einšteins nepiekrita Bora interpretācijai par kvantu daļiņu sapīšanu. Jo tas bija pretrunā ar viņa teoriju, ka informāciju nevar pārraidīt ātrāk par gaismas ātrumu. 1935. gadā viņš publicēja rakstu, kurā aprakstīja domu eksperimentu. Šo eksperimentu sauca par "Einšteina-Podoļska-Rozena paradoksu".
Einšteins piekrita, ka saistītās daļiņas varētu pastāvēt, taču nāca klajā ar citu skaidrojumu tūlītējai informācijas pārsūtīšanai starp tām. Viņš teica "sapinušās daļiņas" drīzāk kā cimdu pāri. Iedomājieties, ka jums ir cimdu pāris. Jūs ievietojat kreiso vienā koferī, bet labo - otrajā. Jūs nosūtījāt 1. čemodānu draugam, bet otro uz Mēnesi. Kad draugs saņems koferi, viņš zinās, ka koferī ir vai nu kreisais, vai labais cimds. Atverot koferi un redzot, ka tajā ir kreisais cimds, viņš acumirklī zinās, ka uz Mēness ir labais cimds. Un tas nenozīmē, ka draugs ir ietekmējis to, ka kreisais cimds atrodas koferī, un nenozīmē, ka kreisais cimds momentāni pārsūtīja informāciju uz labo. Tas nozīmē tikai to, ka cimdu īpašības sākotnēji bija tādas pašas no brīža, kad tie tika atdalīti. Tie. sapinušās kvantu daļiņas sākotnēji satur informāciju par to stāvokļiem.
Tātad, kuram Boram bija taisnība, kad viņš uzskatīja, ka saistītās daļiņas nekavējoties pārraida informāciju viena otrai, pat ja tās ir atdalītas lielos attālumos? Vai arī Einšteins, kurš uzskatīja, ka nav pārdabiskas saiknes, un viss ir iepriekš noteikts ilgi pirms mērīšanas brīža.
Šīs debates 30 gadus pārcēlās uz filozofijas jomu. Vai kopš tā laika strīds ir atrisināts?
Bela teorēma. Vai strīds ir atrisināts?
Džons Klausers, vēl būdams Kolumbijas universitātes maģistrants, 1967. gadā atrada īru fiziķa Džona Bela aizmirsto darbu. Tā bija sensācija: izrādās Bellam izdevās izkļūt no strupceļa starp Boru un Einšteinu.. Viņš ierosināja eksperimentāli pārbaudīt abas hipotēzes. Lai to izdarītu, viņš ierosināja uzbūvēt mašīnu, kas radītu un salīdzinātu daudzus sapinušos daļiņu pārus. Džons Klausers sāka izstrādāt šādu mašīnu. Viņa mašīna varēja izveidot tūkstošiem pāru sapinušo daļiņu un salīdzināt tos pēc dažādiem parametriem. Eksperimentālie rezultāti pierādīja, ka Boram bija taisnība.
Un drīz franču fiziķis Alēns Aspe veica eksperimentus, no kuriem viens attiecās uz Einšteina un Bora strīda būtību. Šajā eksperimentā vienas daļiņas mērījums varētu tieši ietekmēt citu tikai tad, ja signāls no 1. līdz 2. pārietu ar ātrumu, kas pārsniedz gaismas ātrumu. Bet pats Einšteins pierādīja, ka tas nav iespējams. Palika tikai viens izskaidrojums – neizskaidrojama, pārdabiska saikne starp daļiņām.
Eksperimentālie rezultāti pierādīja, ka kvantu mehānikas teorētiskais pieņēmums ir pareizs. Kvantu sapīšanās ir realitāte ( Kvantu sapīšanās Vikipēdija). Kvantu daļiņas var savienot, neskatoties uz milzīgo attālumu. Vienas daļiņas stāvokļa mērīšana ietekmē otrās daļiņas stāvokli, kas atrodas tālu no tās, it kā attālums starp tām nepastāvētu. Patiesībā notiek pārdabiska tālsatiksmes saziņa.
Jautājums paliek, vai teleportācija ir iespējama?
Vai teleportācija ir apstiprināta eksperimentāli?
Jau 2011. gadā japāņu zinātnieki bija pirmie pasaulē, kas teleportēja fotonus! Gaismas stars uzreiz tika pārvietots no punkta A uz punktu B.
Ja vēlaties, lai viss, ko lasāt par kvantu sapīšanos, tiktu sakārtots 5 minūtēs, noskatieties šo brīnišķīgo video.
Uz drīzu redzēšanos!
Novēlu jums visiem interesantus, iedvesmojošus projektus!
P.S. Ja raksts jums bija noderīgs un saprotams, neaizmirstiet ar to padalīties.
P.S. Rakstiet savas domas un jautājumus komentāros. Jebkuri citi jautājumi par kvantu fizika Vai tu esi ieinteresēts?
P.S. Abonējiet emuāru - abonēšanas veidlapa zem raksta.
Šāda teleporta iekārta tika uzbūvēta filmā “Kontakti”. Ar viņas palīdzību Džodijas Fosteres varone devās uz citu pasauli, vai varbūt ne...
Rakstnieku un scenāristu iedomātās fantāzijas pasaulēs teleportācija jau sen ir kļuvusi par standarta transporta pakalpojumu. Šķiet grūti atrast tik ātru, ērtu un tajā pašā laikā intuitīvu veidu, kā pārvietoties telpā.
Skaisto teleportācijas ideju atbalsta arī zinātnieki: kibernētikas pamatlicējs Norberts Vīners savā darbā “Kibernētika un sabiedrība” veselu nodaļu veltīja “iespējai ceļot, izmantojot telegrāfu”. Kopš tā laika ir pagājis pusgadsimts, un šajā laikā mēs esam nonākuši gandrīz tuvu cilvēces sapnim par šādu ceļojumu: veiksmīga kvantu teleportācija ir veikta vairākās laboratorijās visā pasaulē.
Pamati
Kāpēc teleportācija ir kvants? Fakts ir tāds, ka kvantu objektiem (elementārdaļiņām vai atomiem) ir specifiskas īpašības, kuras nosaka kvantu pasaules likumi un kuras makropasaulē neievēro. Tieši šīs daļiņu īpašības kalpoja par pamatu teleportācijas eksperimentiem.
EPR paradokss
Kvantu teorijas aktīvās attīstības periodā 1935. gadā slavenajā Alberta Einšteina, Borisa Podoļska un Neitana Rozena darbā “Vai kvantu mehāniskais realitātes apraksts var būt pilnīgs?” Tika formulēts tā sauktais EPR paradokss (Einšteina-Podoļska-Rozena paradokss).
Autori parādīja, ka no kvantu teorijas izriet: ja ir divas daļiņas A un B ar kopīgu pagātni (izkliedētas pēc sadursmes vai izveidojušās kādas daļiņas sabrukšanas laikā), tad daļiņas B stāvoklis ir atkarīgs no daļiņas stāvokļa. A un šai atkarībai vajadzētu izpausties uzreiz un jebkurā attālumā. Šādas daļiņas sauc par EPR pāri, un tiek uzskatīts, ka tās ir “sapinušās” stāvoklī.
Pirmkārt, atcerēsimies, ka kvantu pasaulē daļiņa ir varbūtības objekts, tas ir, tā var atrasties vairākos stāvokļos vienlaikus - piemēram, tā var būt ne tikai “melna” vai “balta”, bet "pelēks". Tomēr, mērot šādu daļiņu, mēs vienmēr redzēsim tikai vienu no iespējamajiem stāvokļiem - "melnu" vai "baltu", un ar zināmu paredzamu varbūtību, un visi pārējie stāvokļi tiks iznīcināti. Turklāt no divām kvantu daļiņām ir iespējams izveidot tādu “sapinīgu” stāvokli, ka viss būs vēl interesantāk: ja viena no tām mērot izrādīsies “melna”, tad otra noteikti būs “balta”, un pretēji!
Lai saprastu, kas ir paradokss, vispirms veicam eksperimentu ar makroskopiskiem objektiem. Ņemsim divas kastes, no kurām katrā ir divas bumbiņas – melnas un baltas. Un mēs aizvedīsim vienu no šīm kastēm uz Ziemeļpolu, bet otru uz Dienvidpolu.
Ja ņemsim ārā dienvidpols vienu no bumbiņām (piemēram, melnu), tad tas neietekmēs izvēles rezultātu Ziemeļpolā. Nav obligāti, ka šajā gadījumā mēs saskarsimies tieši ar balto bumbiņu. Šis vienkāršais piemērs apstiprina, ka mūsu pasaulē nav iespējams novērot EPR paradoksu.
Bet 1980. gadā Alans Aspekts eksperimentāli parādīja, ka kvantu pasaulē EPR paradokss patiešām notiek. Speciālie EPR daļiņu A un B stāvokļa mērījumi parādīja, ka EPR pāri nesaista tikai kopīga pagātne, bet daļiņa B kaut kā acumirklī “zina”, kā tika izmērīta daļiņa A (kāda tika izmērīta tās īpašība) un kāds bija rezultāts. . Ja mēs runājam par iepriekš minētajām kastēm ar četrām bumbiņām, tas nozīmētu, ka, izņēmuši melnu bumbiņu Dienvidpolā, mums noteikti ir jāizņem baltā bumbiņa Ziemeļpolā! Bet starp A un B nav mijiedarbības, un superlumināla signāla pārraide nav iespējama! Turpmākajos eksperimentos tika apstiprināta EPR paradoksa esamība, pat ja EPR pāra daļiņas tika atdalītas viena no otras aptuveni 10 km attālumā.
Šie eksperimenti, kas ir pilnīgi neticami no mūsu intuīcijas viedokļa, ir viegli izskaidrojami ar kvantu teoriju. Galu galā EPR pāris ir tieši divas daļiņas “sapinusies” stāvoklī, kas nozīmē, ka, piemēram, daļiņas A mērīšanas rezultāts nosaka daļiņas B mērīšanas rezultātu.
Interesanti, ka Einšteins prognozēto daļiņu uzvedību EPR pāros uzskatīja par “dēmonu darbību no attāluma” un bija pārliecināts, ka EPR paradokss vēlreiz parāda kvantu mehānikas nekonsekvenci, ko zinātnieks atteicās pieņemt. Viņš uzskatīja, ka paradoksa skaidrojums nav pārliecinošs, jo "ja saskaņā ar kvantu teoriju novērotājs rada vai var daļēji izveidot novēroto, tad pele var pārveidot Visumu, tikai uz to aplūkojot."
Teleportācijas eksperimenti
1993. gadā Čārlzs Benets un viņa kolēģi izdomāja, kā izmantot EPR pāru ievērojamās īpašības: viņi izgudroja veidu, kā objekta kvantu stāvokli pārnest uz citu kvantu objektu, izmantojot EPR pāri, un nosauca šo metodi par kvantu teleportāciju. Un 1997. gadā eksperimentētāju grupa Antona Zeilingera vadībā pirmo reizi veica fotona stāvokļa kvantu teleportāciju. Teleportācijas shēma ir sīki aprakstīta ievadā.
Ierobežojumi un vilšanās
Ir būtiski svarīgi, lai kvantu teleportācija nebūtu objekta nodošana, bet tikai viena objekta nezināmais kvantu stāvoklis citam kvantu objektam. Teleportētā objekta kvantu stāvoklis mums paliek ne tikai noslēpums, bet arī neatgriezeniski iznīcināts. Bet par ko mēs varam būt pilnīgi pārliecināti, ka esam ieguvuši identisku cita objekta stāvokli citā vietā.
Tie, kas gaidīja, ka teleportācija būs tūlītēja, būs vīlušies. Beneta metodē veiksmīgai teleportācijai nepieciešams klasisks sakaru kanāls, kas nozīmē, ka teleportācijas ātrums nevar pārsniegt datu pārraides ātrumu parastajā kanālā.
Un joprojām nav zināms, vai no daļiņu un atomu stāvokļu teleportācijas izdosies pāriet uz makroskopisku objektu teleportāciju.
Pieteikums
Praktiska lietošana Kvantu teleportācijai tas tika ātri atrasts - tie ir kvantu datori, kuros informācija tiek glabāta kvantu stāvokļu kopas veidā. Šeit kvantu teleportācija izrādījās ideāla datu pārraides metode, kas principiāli izslēdz iespēju pārtvert un kopēt pārraidīto informāciju.
Vai pienāks cilvēka kārta?
Neskatoties uz visiem mūsdienu sasniegumiem kvantu teleportācijas jomā, cilvēku teleportācijas izredzes joprojām ir ļoti neskaidras. Protams, gribas ticēt, ka zinātnieki kaut ko izdomās. 1966. gadā grāmatā “Tehnoloģiju summa” Staņislavs Lems rakstīja: “Ja mums izdosies sintezēt Napoleonu no atomiem (ja mūsu rīcībā ir “atomu inventārs”), tad Napoleons būs dzīvs cilvēks. Ja jūs paņemat šādu inventāru no jebkuras personas un nosūtāt to “pa telegrāfu” uz uztveršanas ierīci, kuras aprīkojums, pamatojoties uz saņemto informāciju, atjaunos šīs personas ķermeni un smadzenes, tad viņš iznāks no uztveršanas vietas. ierīce ir dzīva un vesela.
Tomēr prakse šajā gadījumā ir daudz sarežģītāka nekā teorija. Tātad jums un man diez vai nāksies ceļot pa pasaulēm, izmantojot teleportāciju, vēl jo mazāk ar garantētu drošību, jo ir nepieciešama tikai viena kļūda, un jūs varat pārvērsties par bezjēdzīgu atomu kolekciju. Pieredzējušais galaktikas inspektors no Kliforda Simaka romāna par to zina daudz un ne velti uzskata, ka "tiem, kas uzņemas vielas pārnesi no attāluma, vispirms jāiemācās to darīt pareizi".
Teleportācijas iespēja ir viens no karstāk apspriestajiem paranormālajiem un parazinātniskajiem jautājumiem. Turklāt tas ir balstīts gan uz fantastiskām mistiskām idejām, gan uz noteiktiem zinātniskie sasniegumi. Tomēr dažādi ziņo, ka teleportācija 
gandrīz tiks sasniegts praksē, ir tikai negodīga informācijas izmantošana par kvantu teleportāciju. Kvantu teleportācija ir reāla fiziska parādība, taču tā ir tikai netieši saistīta ar teleportāciju no mistiķu teorijām un zinātniskās fantastikas darbiem.
Bez Einšteina nevarētu iztikt
Teleportācijas prakse ietver vielas pārnešanu no viena telpas punkta uz citu bez nepārtrauktas kustības trajektorijas. Tas ir, nav iespējams izsekot nepārtrauktai vielas secībai, kas atrodas noteiktā punktā katrā nākamajā laika brīdī. Tādējādi matērija kādu laiku pazūd, bet pēc tam parādās pavisam citā vietā. Protams, kvantu teleportācijas gadījumā nekas līdzīgs nenotiek. Tas ir saistīts ar kvantu īpašajām īpašībām, un to teorētiskā līmenī 1930. gados pirmo reizi formulēja slavenais Alberts Einšteins.
Viņš ierosināja, ka starp divām daļiņām varētu būt tā saukto sapinušo kvantu komunikācijas kanāls, caur kuru ir iespējama īpašību pārnešana no vienas elementārdaļiņas uz otru. Fiziski elementārdaļiņas viena otrai nepieskaras, tas ir, nesaskaras. Vienas daļiņas īpašums tiek nosūtīts caur kvantu, un izejas punktā šī īpašība tiek iznīcināta un pazūd, sūtītājai daļiņai šī īpašība tiek atņemta. Savukārt šī īpašība parādās uz citas daļiņas, tiek “transportēta” caur sapinušiem kvantiem. Ne enerģija, ne pati matērija “nelec” starp daļiņām, un īpašību pārneses ātrums nepārsniedz gaismas ātrumu vakuumā. Tādējādi nekādi fiziskie likumi netiek pārkāpti un nevar runāt par īstu teleportāciju. Raksturīgi, ka Einšteins neticēja pat šī sava teorētiskā modeļa praktiskajai iespējamībai, uzskatot kvantu teleportāciju par pašas kvantu teorijas nekonsekvences sekām.
Īstenošana praksē
Kvantu teleportācija, kas pazīstama arī kā EPR efekts (nosaukts pēc teorētiskā darba līdzautoru vārdiem par šo tēmu - Einšteins, Podoļskis, Rozens), gandrīz pusgadsimtu tika uzskatīta par tīri spekulatīvu. Bet 1980. gadā šī efekta esamība tika apstiprināta eksperimentāli. Tika veikta tā sauktā fotonu teleportācija, tas ir, īpašību pārnešana no viena fotona uz otru. Sākotnēji zinātnieki nevarēja atrast izskaidrojumu šai parādībai, kas bija pretrunā ar fizikas likumiem. Tomēr tad viņi atcerējās Einšteina un viņa kolēģu formulēto kvantu teleportācijas principu – un viss nostājās savās vietās.
Turklāt kvantu teleportācijas īpatnība bija iespēja pārsūtīt īpašības starp elementārdaļiņas ievērojamos attālumos. Bet tajā pašā laikā parādījās dažādas grūtības. Līdz ar to ātri kļuva skaidrs, ka kvantu teleportācijai ir ierobežojumi, kas raksturīgi jebkuram sakaru kanālam – informācijas pārraides ātrums nevar pārsniegt šim konkrētajam kanālam pieejamo maksimālo ātrumu. Labākajā gadījumā tas tuvosies gaismas ātrumam vakuumā. Turklāt kvantu teleportācijai nebija nekā kopīga ar “klasisko” teleportāciju, kas pazīstama no fantāzijas romāni. Šāda enerģijas un matērijas pārnešana no viena punkta uz otru joprojām nav iespējama. Tāpēc entuziastiem, kuri vēlas sasniegt cilvēku teleportāciju, būs jāgaida. Ļoti iespējams, ka mums jāgaida bezgalīgi: pat ja tiek atklāta matērijas teleportācijas metode, ir grūti iedomāties iespēju teleportēt saprātīgas būtnes un atjaunot pilnvērtīgu apziņas mehānismu jaunā vietā.
Eksperimenti virza zinātni
Kvantu teleportācija ir saņēmusi plašu presē saistībā ar jaunākajiem japāņu zinātnieku sasniegumiem šajā virzienā. Dažādu eksperimentu laikā viņi sasniedza iespaidīgus rezultātus. Pirmajā gadījumā eksperiments izrādījās ļoti iespaidīgs: pētnieki spēja “teleportēt” gaismas kvantu. Būtībā tā ir fotona teleportācija - gaisma tika “sadalīta” atsevišķās fotonu daļiņās un, izmantojot sapinušo kvantu sakaru kanālu, tika pārnesta uz citu telpas punktu, kur atkal tika savākta gaismas starā. Otrajā gadījumā pirmā kvantu teleportācija tika panākta nevis starp diviem, bet starp trim fotoniem. No praktisko zinātnisko tehnoloģiju viedokļa tas ir īsts izrāviens, kas paver reālas izredzes radīšanai kvantu datori. Šie datori būs par daudzām kārtām produktīvāki gan datu apstrādes ātruma, gan kopējā apjoma ziņā.
Bet japāņu eksperimenti ar kvantu teleportāciju nebūt nav vienīgie, kas šajā virzienā notiek jau vairākus gadu desmitus, taču tas ir īpaši aktīvs pēdējie gadi. Tā 2004. gadā tika veikti veiksmīgi eksperimenti kvantu teleportācijā nevis starp fotoniem, bet starp atomiem - pirmajā gadījumā kalcija atoma joni apmainījās ar īpašībām, otrajā - berilija atoma joni. 2006. gadā tika veikta kvantu teleportācija starp diviem dažāda rakstura objektiem, starp cēzija atomiem, no vienas puses, un lāzera starojuma kvantiem, no otras puses. No 2010. līdz 2012. gadam zinātnieki konsekventi uzstādīja iespaidīgus attāluma rekordus kvantu teleportācijā: vispirms Ķīnā īpašības starp fotoniem tika pārnestas vairāk nekā 16 kilometrus, pēc tam Viduskaraļvalstī sasniegums tika palielināts līdz 97 kilometriem, un pēc tam Austrijā pētnieki sasniedza teleportāciju. 143 kilometri.
Aleksandrs Babitskis
No fizikas viedokļa tanka teleportēšana no punkta A uz punktu B ir ļoti vienkārša. Jums ir jāņem tvertne punktā A, jāizmēra visi tās elementi, jāizveido rasējumi un jānosūta tie uz punktu B. Pēc tam punktā B, izmantojot šos rasējumus, salieciet to pašu tvertni. Bet ar kvantu objektiem situācija ir daudz sarežģītāka.
Viss šajā pasaulē sastāv no protoniem, neitroniem un elektroniem, taču šie elementi ir salikti atšķirīgi un pārvietojas atšķirīgi. Zinātniski runājot, tie atrodas dažādos kvantu stāvokļos. Un pat ja mums būtu mašīna, kas varētu manipulēt ar atsevišķām daļiņām: no tām savākt atomus, no atomiem – molekulas, mēs tik un tā nespētu teleportēt pat amēbu. Fakts ir tāds, ka maziem kvantu objektiem nav iespējams vienlaikus izmērīt visus to parametrus: mēs joprojām varētu izjaukt kvantu tvertni daļās, bet mēs vairs nevaram tos izmērīt.
Šī ir problēma, ko atrisina kvantu teleportācija. Tas ļauj pārnest viena objekta īpašības uz citu tukšu objektu: viena atoma kvantu stāvokli citam atomam, viena elektrona ātrumu un koordinātu citam elektronam. Ideja ir tāda, ka, nezinot, kādā stāvoklī atrodas sākotnējais atoms, mēs varam likt citam atomam būt tādā pašā nezināmā, bet specifiskā stāvoklī. Tiesa, šajā gadījumā neatgriezeniski mainīsies pirmā atoma stāvoklis, un, saņemot kopiju, mēs zaudēsim oriģinālu.
2
Tātad teleportācija ir stāvokļa pārnešana no oriģināla uz tukšu atomu. Lai to izdarītu, fiziķi ņem īpašas dvīņu daļiņas. Šai lomai vislabāk piemērots sarkano fotonu pāris, kas iegūts viena violeta fotona sabrukšanas rezultātā. Šiem dvīņu fotoniem ir unikāla kvantu īpašība: neatkarīgi no tā, cik tālu tie atrodas, tie joprojām jūt viens otru. Tiklīdz mainās viena fotona stāvoklis, uzreiz mainās arī otra stāvoklis.
Tātad, lai teleportētu kvantu stāvokli no punkta A uz punktu B, tiek ņemti šie divi fotoni. Viens dodas uz punktu A, otrs uz punktu B. Fotons punktā A mijiedarbojas ar atomu, kura stāvoklis jāpārnes uz punktu B. Fotons šeit darbojas kā DHL kurjers – tas atnāca pie atoma, paņēma a. dokumentu paketi no tās, un tādējādi uz visiem laikiem atņemot viņam šos dokumentus, bet ievācot nepieciešamo informāciju, pēc kā viņš iekāpj kravas automašīnā un atņem dokumentus. Punktā B paka saņem vēl vienu fotonu un nogādā to jaunajam īpašniekam.
Punktā B tiek veiktas īpašas pārvērtības ar otro fotonu, un tad šis fotons mijiedarbojas ar otro tukšo atomu, uz kuru tiek pārnests vēlamais kvantu stāvoklis. Rezultātā tukšais atoms kļūst par atomu no punkta A. Tas ir, ir notikusi kvantu teleportācija.
Fizika joprojām ir ļoti tālu no cilvēku teleportācijas, bet tā jau ir tuvu izlūkdienestiem un drošības dienestiem. Kvantu stāvokļu teleportāciju var izmantot, lai pārraidītu ļoti jutīgu informāciju. Informāciju kodē fotona kvantu stāvoklis, pēc kura stāvoklis tiek teleportēts no viena spiega uz otru. Ja ienaidnieka spiegs mēģinās pārtvert informāciju, viņam būs jāmēra fotona stāvoklis, kas to neatgriezeniski sabojās un radīs kļūdas. Mūsu spiegi uzreiz pamanīs šīs kļūdas un uzminēs, ka ienaidnieks tās noklausās. To visu sauc par kvantu kriptogrāfiju.