Методические материалы, статьи

Так бывает в науке

Предваряя рассказ об опыте Цайлингера, поговорим еще немного о квантовом мире. В нем вообще много странностей. На наш обыденный взгляд, он фантастичен. Возьмем хотя бы принцип «суперпозиции» — наложения состояний — и поясним его с помощью бытового примера.

В нашем мире зрители, пришедшие на футбольный матч, на какой бы трибуне они ни сидели, видят, что спортсмены играют мячом одного и того же — допустим, белого — цвета. В квантовом мире тот же самый мяч мог бы одним болельщикам казаться белым, другим — черным, например, половина наблюдателей видела бы одно, половина — другое. Предсказать, что увидит некий господин N, нельзя. Мяч, словно мифический Протей, будет без устали принимать один облик за другим, не повинуясь законам, к которым привыкли мы, жители макромира.

Еще одна странность. В квантовом мире одна и та же частица может одновременно пребывать в двух разных точках пространства. Точнее говоря, две разлетающиеся в стороны частицы могут вести себя так, словно это одна и та же частица. Их полная противоположность — «негативные близнецы». Это частицы, которые на любом расстоянии ведут себя наперекор друг другу. Что-то их связывает. Как только на одном конце этой незримой нити возникает некая сущность, на другом появляется ее антипод. Если вернуться к нашим бело-черным мячам, вот что с ними будет происходить. Стоит нам увидеть, что первый мяч окрашен в черный цвет, как в тот же миг другой мяч, летящий в неведомой дали, станет белым, и наоборот.

В свое время эта «странная телепатия», действующая быстрее света, побудила Альберта Эйнштейна назвать квантовую механику ошибочной. Лишь в начале восьмидесятых годов группа французских ученых доказала, что описанная нами «молниеносная» связь частиц является реальным фактом, а вовсе не порождением фантазирующего ума. «Негативные близнецы», или, говоря научным языком, «антисимметрично коррелированные частицы», стали частью научного обихода. Они-то и сыграли главную роль в опыте Цайлингера.

Еще в 1993 году группа американских физиков из лаборатории IBM во главе с Чарлзом Беннеттом придумала метод, позволяющий «телепортировать» частицы (или, строго говоря, информацию о них) на любое расстояние. Схема была такова. Чтобы «телепортировать» частицу С, надо «связать» ее с другой частицей (обозначим ее А) и эту же частицу А «связать» с третьей частицей — В. Тогда свойства частицы С передадутся частице В.

Тут, конечно, нужны подробности. В принципе, за любой нашей репликой могла бы следовать череда поправок, уточнений, замечаний, пояснений, которая завела бы нас в бесконечный тупик, если бы не одно обстоятельство. Сказанное нами, как правило, и так бывает известно нашему собеседнику, а потому не требует особых комментариев. В данном же случае мы вынуждены вновь и вновь уточнять схему необычного опыта, дополняя ее хоть какими-то подробностями, словно размечая путь в туманном мире квантовой физики.

Итак, чем мы располагаем? У нас есть фотон С (для своих опытов Цайлингер выбрал именно эту элементарную частицу). Мы намерены «телепортировать» его в иную точку пространства. В «доквантовом» мире мы бы переслали, переместили, передвинули наш объект в ту точку со скоростью, меньшей скорости света. Теперь можно сделать по-другому. Если в той точке пространства окажется такая же частица — фотон, то нам достаточно, чтобы она изменила свои характеристики и стала выглядеть точь-в-точь как частица С. Череда мгновенных превращений — вот лучший транспорт квантового мира! Фотон С и безликий фотон В, что воплотит чужой образ, — это начало и конец пути, это старт и финиш. Из пункта С в пункт В путешествует не сам герой, а его «паспорт». В квантовом мире эта «бумажка» воистину важнее любой букашки. Только с ее обретением элементарная частица принимает законченный вид.

Как видите, наша задача изменилась. Мы не частицу собираемся перемещать, мы лишь похитим ее «паспорт» и молниеносно подкинем его другой участнице опыта. В микромире фальшивых документов не бывает. Что записано в них, такова и частица.

Квантовый мир — это мир отрицаний и вычетов. Здесь обретенное «я» непременно означает упущенные возможности — свои и чужие. Вернемся к тому же примеру с мячами. Если мяч, лежащий у вас в руках, окрашивается в черный цвет, значит, в ту же секунду в руках человека, живущего за тридевять земель от вас, точно такой же мяч белеет. Из двух возможностей воплотились обе: одна — здесь, другая — там.

А если продолжить нашу цепочку? В ней появится еще один человек, сидящий с мячом, загадочно меняющим цвет. Тогда срабатывает «закон отрицания отрицания»: черное — белое — черное. Таков результат мгновенных перемен. «Паспорт» передан. Объект, пребывающий в точке В, теперь выглядит так же, как его прототип С.

Для того чтобы это случилось, нужен посредник — фотон А, то есть «негативный близнец» фотонов С и В. Мы можем прибегнуть к еще одному развернутому сравнению. Представьте себе, что в точке С пребывает частица, а в точке А находится зеркало. Что бы ни происходило с фотоном, зеркало А повторит его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Где-то в глубине нашей воображаемой лаборатории стоит еще одно зеркало (В). Оно «копирует» копию, оно повторяет ее гримасы и фортели, снова меняя местами «левое» и «правое». Теперь они совпадают, исходная частица и ее образ, отразившийся в одном из зеркал.

Еще раз повторим. В опыте участвуют: исходная частица С, частица В, которой передадутся ее свойства, и, самое главное, частица А — посредник, связанный с обоими фотонами и отрицающий свойства каждого. Чтобы отрицать их, не надо их определять. Не надо развязывать «мешок», в котором спрятан переменчивый Протей! В квантовом мире любые измерения искажают свойства частицы. Буковки в «паспорте» тут же меняются местами, стоит его развернуть. Изображение в «зеркале» тут же оживает, стоит в него вглядеться.

Но как тогда понять, что фотон А, например, противоположен фотону С? Что ж, приборы позволяют обойти эту теоретическую ловушку. Мы можем отметить, что такая-то пара частиц является «антисимметрично коррелированной». Но кому какие свойства принадлежат, нам не дано знать. Под нашими взорами частица становится собственным отражением, а ее отражение — частицей. Все перепутывается в зыбком квантовом мире, и «тень говорит голосом человека, а человек подражает собственной тени, и их фигуры незразличимы».

Прервем перечень сравнений и символов. Пора переходить от теории к практике. Героями опыта, поставленного в Инсбруке, были незримо связанные друг с другом фотоны. Чтобы их получить, ученые направляли на нелинейный оптический кристалл световые импульсы, длившиеся всего 150 миллионных долей одной миллиардной доли секунды (генерировал их титаносапфировый лазер красного излучения). Видимые световые сигналы преобразовывались в ультрафиолетовые. Цайлингер помещал на их пути еще один нелинейный кристалл, и тогда возникала пара фотонов красного света — А и В. Хитрость заключалась в том, что плоскости колебаний обеих частиц были теперь всегда перпендикулярны друг другу. С этого момента, если одна из них была поляризована в горизонтальной плоскости, другая совершала колебания лишь в вертикальной плоскости и наоборот. Так получили первую пару «связанных» частиц. Ничего более точного об их поляризации не требовалось знать. Фотон В был «чистым листом», на котором ученые собирались записать свойства другого фотона (С), или же «зеркалом», в котором появится чужое изображение.

Вторую пару фотонов (С и D) тоже получили с помощью нелинейного кристалла. Затем фотон С определенным образом поляризовали — у него появился свой «паспорт». Четвертый фотон (D), посторонний на этом карнавале превращений, ученые использовали, чтобы в нужный момент активизировать измерительные приборы.

Сердцем этой установки стало полупроницаемое зеркало. Оно помогло связать друг с другом фотоны А и С. Эти частицы либо отражались от поверхности зеркала, либо проникали сквозь нее. Возможных вариантов событий было четыре. В любом случае оба фотона были теперь связаны друг с другом. Значит, свойства фотона С (он ведь имел свой «паспорт») автоматически передавались частице В. Теперь та была точь-в-точь такой же, как ее прототип, находившийся в нескольких метрах отсюда. По щелчку детектора определяли, что телепортация состоялась.

Наш рассказ состоит из повторений и уточнений. Опишем еще раз схему этого необычного опыта. Телепортируемая частица движется в левой части установки. Внезапно она исчезает: «теряет свою идентичность». В тот же миг, в том же направлении, но в нескольких метрах отсюда — в правой части установки — начинает двигаться такая же частица, с теми же самыми характеристиками, что и первая. Вот и все. Телепортация состоялась. «Мы имеем дело с совершенно новым способом передачи информации» — говорит Чарлз Беннетт.

Повторимся: в этом опыте не происходит никакого переноса элементарной частицы из одной точки пространства в другую. Нет, в приемном устройстве уже имеется свой фотон. Передается лишь информация о какой-то характеристике этого фотона (в данном случае речь идет о поляризации). Одна из частиц копирует информацию, которой обладает другая частица.

После нескольких лет проб и ошибок Цайлингер и его коллеги научились телепортировать до сотни частиц в час. Тем временем французский физик Серж Харош начал проводить опыты по телепортации уже на атомарном уровне.

Фотоны, атомы… Что дальше?


- Я думаю, что в скором времени мы научимся «связывать» друг с другом даже крупные молекулы, — оптимистично говорит Цайлингер.

Однако проблем слишком много. Чем сложнее квантовый объект, тем труднее изолировать его от внешнего мира. Если же объект контактирует с внешним миром, то его неопределенное состояние тотчас преобразуется в «нечто определенное», и тогда процесс «связывания» прерывается.

Теперь, как отмечает Антон Цайлингер, его интересуют так называемые мультифотонные состояния, когда образуется сразу несколько пар фотонов, которые параллельно «связываются» друг с другом. Инсбрукским физикам уже удалось проделать подобный опыт с тремя фотонами.

Наконец, участники эксперимента намерены значительно увеличить расстояние, на котором осуществляется телепортация: пока все происходило в пределах лабораторной комнаты, сейчас в планах ученых — передача информации на двадцать и более километров. Ведь еще пять лет назад группа исследователей из Женевского университета доказала, что два «связанных» друг с другом фотона могут телепатически общаться по стекловолоконному кабелю длиной 23 километра, проложенному по дну Женевского озера.

Десятки раз журналисты спрашивали Цайлингера, когда же удастся телепортировать человека. Физик отвечает на это лишь покачиванием головы: «Нам следует раз и навсегда забыть об этом».

Быстрее скорости света?


Увы, ошибается тот, кто думает, что с помощью телепортации можно преодолеть барьер, воздвигнутый скоростью света. Еще Чарлз Беннетт, один из авторов идеи квантовой телепортации, осознал, что сведения, передаваемые с ее помощью, делятся на два сорта: на те, что транслируются квантово-механическим способом (то есть со сверхсветовой скоростью), и те, что передаются классическим способом (то есть скорость их передачи не превышает скорости света).

Хотя «связанные» друг с другом фотоны, обмениваясь информацией, делают это с бесконечно большой скоростью, однако лицо, передавшее некое сообщение, может узнать от своего адресата о том, что телепортация состоялась (и наоборот), лишь прибегнув к классическому способу — к радио- или кабельной связи. Во время инсбрукского эксперимента специальный счетчик отмечал, все ли три детектора фотонов получили сигнал одновременно или нет. Эти приборы были соединены друг с другом кабелем, значит, они обменивались информацией лишь со скоростью, не превышающей скорости света.

Итак, как бы быстро ни совершалась телепортация, для нас она станет явью лишь некоторое время спустя.

Вместо битов грядут квибиты?


«Мы имеем дело с совершенно новым способом передачи информации» — говорят создатели метода телепортации. Возможно, в будущем появятся и компьютеры нового типа — «квантовые». Вместо нулей и единиц они будут оперировать причудливыми состояниями, характерными для микромира, — квантовыми битами, или, сокращенно, «квибитами» (qubit).

Спрашивается, можно ли построить такой компьютер? И чем он будет хорош? Начнем с первого вопроса. Легко догадаться, что вся проблема в том, что квантовое состояние неопределенно. Его нельзя измерить или хоть как-то зафиксировать. Как же передать эту информацию другому компьютеру?

Представьте себе, перед вами стоит незнакомый прибор. Вы не знаете, как его включить, как им пользоваться. Правда, в соседней комнате лежит инструкция. Она запечатана в конверт, но, увы, стоит вам подойти к этому пакету, как буквы в нем моментально сотрутся. Вы опять останетесь в неведении.

Вся ваша незадача в том, что вы хотели воспользоваться «известной» информацией. В квантовом мире нельзя передавать известные, заранее собранные данные, ибо их нельзя даже собрать. Здесь можно телепортировать лишь «нечто неведомое». Возвращаясь к нашему примеру, мы можем дать непривычный (с житейской точки зрения) совет.

Вам нельзя проникать в соседнюю комнату, чтобы выведать тайны прибора. Если вы окажетесь там, вы ничего не узнаете. Если же вы достанете из ящика стола точно такой же конверт, запечатаете его и положите рядом, то будьте уверены: внутри него лежит интересующая вас инструкция. Но и теперь мы не советуем вам заглядывать в бумаги. Прибор включится сам, ибо ему передастся состояние, описанное на не прочитанных вами листах бумаги, лежащих в конверте.

«Связанные» друг с другом частицы обмениваются информацией, подобно тому как в приведенном примере это проделывали запечатанные конверты.

Если удастся использовать данную технологию при создании компьютеров, то они будут действовать в миллионы раз быстрее нынешних. Впредь никакому чемпиону мира по шахматам уже не обыграть компьютер. Порадуются и спецслужбы: «квантовые вычислительные машины» в считанные минуты разгадают сложнейший код. Некоторые физики-теоретики говорят, что подобные компьютеры в принципе способны решить любую научную проблему.

Александр Зайцев



См. также:
Особенности системы Мартингейл
Получить микрозайм с сервисом ZaimOnline-Ru – легко!
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005