"Запутанность" и "суперпозиция" — залог успешной телепортации

Мечта о телепортации атомов, молекул и, возможно, даже больших объектов впервые стала реальной возможностью — сообщает журнал New Scientist.

Прогресс достигнут благодаря физикам, предложившим метод, при помощи которого теоретически можно "запутать" абсолютно любую частицу.

Чтобы не запутаться с самого начала, попробуем разобраться с терминами, а именно, что такое квантовая "запутанность" (quantum entanglement — одно из названий "соотношение неопределённостей") и "суперпозиция" (superposition). В этом может помочь статья Ли Хендерсона и Владко Ведрала (Leah Henderson and Vlatko Vedral), которые попытались растолковать всё это попроще:

"Все мы часто наблюдаем так называемую корреляцию, то есть взаимосвязь, соотношение предметов, явлений или понятий. Например, представьте себе, что вы стали свидетелем ограбления банка.

 

 

Грабитель направляет пистолет на испуганного кассира. Так вот, глядя на кассира, вы можете узнать, стреляло оружие или нет: если бедолага цел и невредим — оружие не стреляло, мёртв или ранен — наоборот.

С другой стороны, глядя на оружие и выяснив, стреляло ли оно, вы можете узнать, жив кассир или мёртв. Таким образом, мы можем говорить, что есть прямая корреляция между состоянием оружия и состоянием кассира: "стреляло значит мёртв" и "не стреляло значит жив". При этом мы полагаем, что грабитель стреляет только для того, чтобы убить и никогда не промахивается.

В мире микроскопических объектов, описанных квантовой механикой, не всегда всё так просто. Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: "распад" и "не распад", так же, как в ситуации с ограблением, но в квантовой механике у атома может быть некое объединённое состояние — "распада — не распада", то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется "суперпозицией".

Один из самых распространённых примеров для объяснения принципов квантовой телепортации: Алиса телепортирует Бобу "запутанную" частицу

Таким образом, атомы могут быть коррелированны так, что если первый распался — распадётся второй, и наоборот. Это — 100% корреляция. Но в мире квантовой механики тот же самый принцип действует и для атомов, находящихся в "суперпозиции". Корреляция атомов в "суперпозициях" и называется "запутанностью" или "соотношением неопределённостей".

Проблема, как вы понимаете, состоит в том, что в повседневной жизни мы не встречаем что-либо в "суперпозиции", например, "мёртво-живого" кота или "мёртво-живого" кассира, но, в принципе, если мы ожидаем, что квантовая механика будет полноценной теорией, описывающей каждый уровень нашего опыта, такие странные состояния должны быть возможны.

Где заканчивается странный квантовый мир и начинается привычный классический? Эти проблемы обсуждаются десятилетиями, соответственно, существует множество различных объяснений и толкований квантовой теории.

Внимание к этой проблеме было привлечено ещё в 1935 году, когда Эйнштейн (Einstein), Подольский и Роузен (Rosen) затеяли спор о странном поведении "запутанности". Они считали, что измерение какой-либо динамической переменной у одной частицы не может создать определённое значение этой переменной у другой удалённой частицы. Подразумевалось, что теория квантовой механики была неполноценной, поскольку не были обнаружены некие скрытые параметры.

Всё это спровоцировало известные дебаты между Эйнштейном и Нильсом Бором (Niels Bohr), причём последний утверждал, что теория квантовой механики полноценна, а проблемы Эйнштейна возникли потому, что он пробует интерпретировать теорию слишком буквально.

Однако в 1964 году благодаря Джону Беллу (John Bell), который вывел своё знаменитое "неравенство", противостояние разрешилось вроде бы в пользу квантовой механики. По большому счёту, дискуссии продолжаются, а на сегодняшний день мы имеем примерно следующее: "соотношение неопределённостей" позволяет двум частицам вести себя одинаково, независимо от того, на каком расстоянии друг от друга они находятся. Если вы измеряете состояние одной частицы — вы немедленно определяете состояние другой, у которой появляются точно такие же характеристики — это и есть квантовая телепортация.

До сих пор физики могли "запутывать" только фотоны, электроны и атомы, используя различные методы в каждом конкретном случае, однако теперь физики, согласно информации New Scientist, считают прежние схемы "слишком специфичными" и сообщают, что теоретически можно телепортировать любые частицы и даже "большие" молекулы. Сугато Бозе (Sougato Bose, University of Oxford) из Оксфордского университета и Дайпенкэр Хоум (Dipankar Home, Bose Institute in Calcutta) из Института Бозе в Калькутте продемонстрировали механизм, при помощи которого этого можно добиться.

Чтобы понять, как работает этот механизм, необходимо рассмотреть угловой момент или спин (вращение) электрона. Чтобы создать "соотношение неопределённостей" электронов, то есть "запутать" их, нужно убедиться, что они идентичны во всех отношениях, после чего выстрелить этими электронами в расщепитель луча (beam splitter).

Механизм "расщепляет" каждый из электронов, приводя их в квантовое состояние "суперпозиции", вследствие чего электрон с равной долей вероятности будет двигаться по одному из двух путей. Какой путь "выбрал" электрон, можно узнать, только обнаружив его. Если "расщеплять" два электрона одновременно, то возможны два варианта: оба электрона направятся по одному пути или же каждый по отдельному.

Бозе и Хоум рассчитали, что всякий раз, когда на каждой из двух "дорожек" будет по одному электрону, — они "запутаны". Это даёт им основания предполагать, что "запутанные" частицы могут происходить из разных независимых источников.

Похожие опыты проводились и проводятся по всему миру, а огорчают по большому счёту две вещи: во-первых, не всё понятно — неискушённому человеку разобраться в квантовой механике крайне сложно и очень немногие предпринимают попытку объяснить, что к чему, а во-вторых — квантовая телепортация, в возможности появления которой уже мало кто сомневается, не позволит телепортировать человека.

Редакция готова рассмотреть любые материалы читателей по теме "Квантовая телепортация". Пишите нам!

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru