Знание-сила, 2004 № 01 (919)
Шрифт:
Ясно, что, измеряя в точке I, мы с равной вероятностью можем обнаружить как вертикальную, так и горизонтальную поляризацию. По воде случая фотон, пришедший в точку 1, может обладать любой из них. Измерение в точке 2, казалось бы, по воле случая, тоже обнаружит одну из двух — фотоны-то совершенно равноправны. Однако квантовая теория говорит, что хотя между фотонами нет никакой материальной связи, измерение в точке I каким-то неведомым нам путем (в этом, по мнению Эйнштейна, и проявляется неполнота квантовой теории) влияет на фотон Б. Случайность в точке 2 почему-то мгновенно исчезает, и можно телеграммой известить удивленных наблюдателей в точке 2, каков будет результат их измерений, даже если оно выполняется в тот же момент времени, что и в точке I. Влияние одной точки на другую, будь одна из них на Земле, а вторая на Марсе или еще дальше, передается с бесконечной скоростью.
Современная
Однако в действительности в примере Эйнштейна нет никакого парадокса. Это объяснил датский физик Нильс Бор. Фотоны в точках 1 и 2 нельзя считать совершенно независимыми, поскольку мы заранее знаем, что их поляризации хотя и могут быть любыми, необязательно перпендикулярны друг другу. Поэтому, измерив поляризацию одного из них, мы сразу же скажем, какова она у другого.
Правда, причину мнимого парадокса легко усмотреть лишь в простом примере с двумя фотонами. В общем случае квантовых систем, рассмотренном Эйнштейном и его коллегами, она не столь очевидна. Состояние фотона характеризуется всего лишь одним параметром — направлением поляризации; состояния более сложных систем определяются большим числом переменных, и. тем не менее, их значения мгновенно передаются в точку 2, как только измерение делает их известными в точке I. И во всех случаях причиной является некое априорное условие — корреляция, как говорят физики, связывающая квантовые объекты.
И вот тут мы встречаемся с самым интересным, ради чего читателю пришлось преодолеть дебри квантовых парадоксов. Присоединив к двум "эйнштейновским" фотонам еще один с произвольными свойствами и связав его условием координации, мы сможем телепортировать этот фотон на сколь угодно далекое расстояние.
Квантовая телепортация
Вот как это делается. Наш рассказ будет несколько неточным, но пусть простят нас специалисты, — это делается для того, чтобы проще передать суть дела. Прежде всего следует иметь в виду, что мы не можем точно измерить поляризацию отдельно взятого фотона — повторные измерения всякий раз будут давать различные (случайные) значения. Дело в том, что число фотонов н их поляризация связаны соотношением неопределенности, как координата и скорость. Поэтому, если точно известно число фотонов (в нашем случае это единица), их поляризация остается неопределенной. Для ее измерения нужно пропустить сквозь анализатор лазерный пучок с неточно известным числом фотоноа Если у нас три фотона — эйнштейновская пара А, Б и предназначенный для телепортации фотон X, их поляризации нам неизвестны. Мы знаем только, что колебания электрических полей А и Б взаимно перпендикулярны, а относительно фотона X вообще ничего нельзя сказать. Мы должны телепортировать его таким, каков он есть, никоим образом не касаясь его, чтобы не превратить его в какой-то другой фотон со случайным значением поляризации. На первый взгляд, задача невыполнимая — как направить материальный объект в заданную точку, не прикасаясь к нему?
Квантовые законы допускают такой фокус. Запрещено измерять поляризацию фотонов, однако ничто не мешает измерить относительную поляризацию находящихся в точке 1 фотонов X и А — параллельны колебания их электрических полей или перпендикулярны? Если параллельны, то поляризация фотона Б в точке 2 перпендикулярна фотону X и, повернув ее с помощью преломляющего кристалла на 90 градусов, мы получим точную копию фотона X. Ну, а если X и А поляризованы перпендикулярно друг другу, то с фотоном Б вообще ничего делать не нужно — его поляризация совпадает с X. Конечно, для того чтобы в точке 2 знали, что делать с фотоном Б, надо послать туда сообщение с результатом измерения относительной поляризации X и А.
Поскольку все фотоны совершенно одинаковы и различаются лишь направлением поляризаций, то фотон Б теперь абсолютно идентичен исходному фотону X.
Подобным образом можно телепортировать и более сложные объекты, состояние которых определяется большим числом параметров: для каждого транспортируемого объекта X создается эйнштейновская пара объектов А и Б, затем измеряются относительные параметры пары X и А. что мгновенно определяет параметры удаленного объекта Б, а полученная в точке 1 информация посылается в точку 2 в качестве инструкции для изменения параметров объекта Б.
Чтобы лучше уяснить суть квантовой телепортации, прибегнем к следующему примеру. Пусть у нас имеются две монеты. Мы не знаем, какой стороной повернута каждая из них — орлом или решкой, но известно, что повернуты они одинаково, то есть их положения скоррелированы. Одну из монет, не переворачивая, отправляют в другой город. Теперь между монетами нет никакой материальной связи, но как только я посмотрю, какой стороной лежит моя монета, я мгновенно узнаю положение другой.
Перед тем как я открою монету, мне могут принести третью монету (X) с неизвестным мне положением ее сторон и сказать лишь об относительном расположении этой и моей монеты — совпадают рисунки их сторон или нет Я сообщу об этом в соседний город владельцу находящейся там монеты, чтобы он знал, следует ему переворачивать монету или нет, после чего он может быть уверен, что его монета — точная копия монеты X. Между тем положение моей монеты и монеты X все время оставалось неизвестным. Я знал лишь об их относительной ориентации. В чем тут отличие от квантовой телепортации? Казалось бы, все одинаково.
Пусть читатель немножко поломает голову, прежде чем прочитает ответ!
А ответ состоит в следующем. С монетой X ничего не случилось — как лежала она на моем столе, так и лежит. Телепортирована лишь ее ориентация. Если сравнить монету X с отвезенной в соседний город, то обнаружится масса отличий — царапины, потертости и так далее. Это совершенно разные монеты с одинаковым расположением сторон. Иное дело в квантовом случае. Как уже говорилось выше, число фотонов и их поляризация связаны гейзенберговским соотношением неопределенностей — измерив поляризацию, мы потеряли счет числу фотонов, и мы не можем отрицать, что один из них исчез. С точки зрения повседневного опыта результат весьма удивительный, но в том же ряду, что и "размазка" скорости при измерении координаты. А поскольку в отличие от монет фотоны, если не считать их поляризации, абсолютно тождественны, неотличимы друг от друга, нельзя опровергнуть утверждение, что фотон Б — это перемещенный из точки 1 фотон X. В квантовой области своя логика, не совпадающая с нашей житейской.
Спор о сущности квантовой логики ведется со дня ее появления. Идея Эйнштейна о том, что парадоксальность квантовой логики обусловлена тем, что мы пока не умеем точно описывать природу, разделялась многими физиками и философами. Ведь статистическая "размазка" возникает всякий раз, когда некоторые параметры варьируются случайным образом. Как только глубинные причины вариаций становятся ясны, теория приобретает точный, как говорят физики, строго детерминированный характер. Эйнштейн и его последователи были уверены, что описание микроявлений станет тоже вполне однозначным в соответствии с "логикой здравого смысла", когда будет постигнута природа "заквантовых параметров". Позднее английский физик Белл доказал, что если параметры, отвечающие за статистический характер квантовой механики, действительно существуют в природе, то в ряде случаев результат измерений должен быть совсем не таким, каким его предсказывает квантовая теория. Однако очень точные измерения подтвердили предсказания квантовой теории, и сегодня мало кто сомневается в ее принципиально неустранимой статистичности. Это свойство природы, а не следствие неточности наших знаний.
Квантовая телепортация макрообъектов
Можно сказать, что квантовый способ телепортации является промежуточным между двумя описанными выше: "перекачка" состояния X на объект Б происходит мгновенно, как при транспортами нашей героини Джени из одной комнаты в другую, а подстройка состояния Б до полной идентичности с X совершается, как при винеровской телепортации.
Теоретически можно телепортировать любые объекты, хотя на опыте пока удалось "перебросить" только фотон и на расстояние всего в несколько десятков метров. На больших расстояниях трудно сохранить корреляцию эйнштейновской пары — она разрушается при столкновениях фотонов с частицами воздуха. Любое столкновение непредсказуемым образом изменяет поляризацию фотона, и никакого условия связи после этого уже нет. На очень большие расстояния можно рассчитывать л ишь в безвоздушном космосе или если использовать мощные пучки лазеров с огромным числом одинаково поляризованных фотонов. Часть фотонов избежит столкновений, и с их помощью можно осуществить телепортацию части лазерного луча.