Нателепортачили. Передавать людей и предметы на расстоянии пока невозможно

На прошлой неделе российские СМИ оттачивали свое остроумие, обсуждая выделение в рамках Национальной стратегической инициативы крупных средств на развитие в России телепортации. Как выяснилось чуть позже, речь шла не о настоящей телепортации, которая пока что совершенно невозможна, но о квантовой — перспективном направлении передачи информации. Что такое квантовая телепортация, зачем она нужна и что может дать?

Сто с лишним лет назад Альберт Эйнштейн «запретил» физическим объектам путешествовать по Вселенной быстрее скорости света: невозможность движения со сверхсветовой скоростью стала одним из следствий созданной им теории относительности. Но десятилетия спустя после того, как создание теории относительности принесло ему всемирную славу, в 1935 году Эйнштейн вместе с коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном предположил, что если не вещество, то информация все-таки может перемещаться мгновенно, не теряя на пересечение любых, самых огромных расстояний ни секунды.

Согласно принципу квантовой неопределенности — одному из ключевых принципов квантовой физики — нельзя измерить одновременно координаты в пространстве и импульс движущейся частицы, поскольку измерение одной из этих величин приводит к неизбежному искажению другой. Однако Эйнштейн и его коллеги предложили мысленный эксперимент, который, казалось бы, нарушает этот принцип. Если две частицы родились в результате распада третьей, сумма их импульсов будет равна импульсу этой распавшейся частицы. Мы можем измерить сперва координаты первой, а затем импульс второй: зная ее импульс, мы сможем рассчитать связанный с ней импульс первой частицы. Таким образом, мы получим значения обеих величин для первой частицы. Для простоты понимания эксперимента можно предложить такую аналогию. Лежащий на складе снаряд обладает нулевым импульсом. Если он случайно сдетонировал и разорвался на две части, мы можем измерить импульс одного летящего куска и рассчитать по нему импульс, с которым летит второй — даже если он уже унесся далеко, и мы потеряли его из виду.

Однако этот «парадокс ЭПР», названный по первым буквам фамилий предложивших его физиков, как выяснилось позже, не только не противоречит принципам квантовой физики, но и описывает удивительную закономерность, не имеющую аналогов в нашем макромире: в момент, когда мы измеряем импульс одной частицы, импульс другой не становится для нас ясным — его значение именно что возникает! Здесь аналогия с кусками снаряда перестает быть точной, и мы попадаем в поистине фантастический мир. Представьте, что куски снаряда летят в разные стороны с разными импульсами. В момент, когда наши приборы ловят первый кусок и выясняют, что его импульс равен, например, 100 кг*м/с, то у второго куска тоже возникает импульс, который отличается от первоначального. Получается, что два куска снаряда (читай: частицы) оказываются связанными друг с другом на расстоянии! Если мы, поймав один кусок снаряда, меняем его импульс, то, соответственно, меняется и импульс второго.

Какую замечательную систему передачи информации можно было бы создать на основе этого принципа, если бы он работал в нашем макромире! Инженеры конструируют специальную ракету, которая в определенный момент разъединяется на две части. Одна летит на орбиту Земли, другая — на Марс. Меняя скорость первой ракеты, мы мгновенно меняем скорость второй — несмотря на миллионы километров между ними. Тормозя и ускоряя первую ракету, мы могли бы передавать на вторую какие угодно послания, зашифровав их хоть при помощи обычной морзянки. Какая жалость, что в нашем макромире такие закономерности не работают.


Зато они работают в мире квантовых объектов, и на этом, собственно, и построено явление квантовой телепортации. Используя запутанные квантовые состояния (то есть, пары связанных между собой частиц), физики научились пересылать на расстоянии информацию от одной частицы к другой. Например, измеряя импульс частицы на входе (и тем самым разрушая состояние, в котором она находилась до измерения), экспериментаторы мгновенно меняли состояние связанной с ней другой частицы на выходе. Эти эксперименты открыли совершенно новую область зашифрованной пересылки сообщений — квантовую криптографию. Обычная криптография, начиная со средневековой тайнописи и заканчивая алгоритмами, применяемыми в современных компьютерных сетях, пользуется математическими методами шифрования: меняя информацию по определенному алгоритму, отправитель сообщения снабжает получателя этим алгоритмом, чтобы он мог расшифровать полученное сообщение. Квантовая телепортация использует физические методы — состояние частиц, с помощью которых передается информация, разрушается в момент отправки и воссоздается в пункте получения сообщения. Перехватить такое послание совершенно невозможно — внедрившись в канал передачи, «хакер» сможет только испортить сообщение, но не скопировать его.

Правда, мгновенной передачи информации у физиков все-таки не получилось: передавать состояния от одной частицы к другой на любое расстояния и правда возможно, но вот передавать с помощью них информацию — нет: в каждом случае «телепортации» мы знаем, что состояния частиц связаны, но как именно – сказать не можем. И расшифровать сообщения можно лишь дополнительно передав «код» по обычному каналу связи — по проводам, радио или оптической линии. Никакой передачи информации со сверхсветовой скоростью не получается.

К «настоящей», давно используемой в фантастических романах и фильмах телепортации, квантовая телепортация прямого отношения не имеет — она неспособна передавать на расстоянии энергию или вещество. И все же может случиться, что благодаря ей люди когда-нибудь освоят и настоящую телепортацию. Во всяком случае, она позволяет обойти одно из самых существенных затруднений копирования каких-либо предметов. В основе телепортации в полном смысле этого слова лежит считывание информации о передаваемом на расстоянии предмете, пересылка его через каналы связи и воссоздание предмета из вещества в месте получения. Главная теоретическая проблема тут даже не в том, что пока неясны методы, с помощью которых можно было бы воссоздать сколько-нибудь сложный объект (вроде животного или человека) — для этого потребуются как минимум наноассемблеры (крошечные механизмы, позволяющие собирать заданные структуры из отдельных атомов). Проблема в том, что никакие методы в принципе не позволяют точно считать информацию о любом объекте. Когда разные там «трансгусманисты» предрекают, что уже в ближайшем будущем люди смогут создавать цифровые копии своей личности, которые смогут «жить» внутри компьютера, мыслить и, возможно, даже чувствовать, у физиков это не вызывает ничего, кроме грустной усмешки.