Ким
я могу что надо, то и могу
Ты дурак, если не восходил на Фудзияму. Но если ты был на ней дважды, ты дурак вдвойне (японская пословица)
Ким Александров
Все записи
текст

Мышь, меняющая Вселенную

"ММ" №04/91 2013, с. 98
В середине прошлого года прямо по заряженным научной фантастикой головам широкой публики вдарила новость: австрийские физики побили рекорд дальности для квантовой телепортации – 143 километра через открытое пространство между двумя Канарскими островами, Ла-Пальма и Тенерифе. Стоп-стоп! Теле-… чего? Телепортации? Это что еще за «звездные врата»?..
Аладдин: Я хочу домой, в Багдад!
Джинн: Ну, пойдем.
Аладдин: Я хочу быстро!
Джинн: Тогда побежали!
Анекдот по мотивам сказок «Тысяча и одной ночи»


Если подсчитать время, потерянное в дорожных пробках, поневоле придешь в ужас! Счет идет на миллионы и миллионы человеко-часов, которые уже ничем не восполнишь. Это же сколько полезного и доброго не сделано? Остается одно из двух: либо пересаживаться на метро (там, где оно есть), либо срочно изобретать телепортаторы. 
Видимо, сожаление о бесцельно потраченном было свойственно человеку во все времена. Подавляющее большинство героев сказок в стиле road movie прежде всего стремится обзавестись транспортным средством: Серым Волком, ковром-самолетом или, венец всего, – комплектом заклинаний от знакомого джинна-волшебника. Обладание таким средством передвижения позволяло превратить неторопливый квест в энергичный экшн. Однако дистанция от сказочных фантазий до реальных машин мгновенного перемещения и не думает сокращаться. Наоборот, чем глубже мы проникаем в тайны мироздания, тем больше возникает принципиальных препятствий. 

Классическая физика, основанная на ньютоновых представлениях о природе вещества, вообще не оставляет шансов для чудес телепортации. Никакие силы не способны мгновенно переместить тело, представляющее собой конгломерат абсолютно твердых и упругих шариков, свято чтящих законы сохранения импульса и энергии. Абсолютная быстрота передвижения, к примеру, света, в эпоху, когда эта физика была единственной, подразумевалась как эффект, выходящий за рамки чувствительности измерительной аппаратуры, но тем не менее обладающий конечными параметрами скорости и ускорения. Достаточно вспомнить опыт Галилея по измерению скорости света в пределах прямой видимости наблюдателей на двух холмах: один подавал сигнал фонарем, его напарник открывал затвор своего фонаря, как только видел свет первого. Естественно, в итоге Галилею распространение света должно было казаться обладающим если не бесконечной, то чрезвычайно большой скоростью. 
Понадобилось несколько столетий, чтобы стало ясно: скорость света – константа, «встроенная» в фундамент мироздания. Своим неподкупным и безапелляционным постоянством она заткнет за пояс ставку подоходного налога. К тому же она принципиально недоступна для простых смертных, обладающих массой и сляпанных из мириада атомов. Благодаря Эйнштейну были открыты законы природы, из которых следует весьма неприятный для любителей быстрой езды вывод: чем выше скорость, тем значительней энергия, необходимая для ее достижения. Для разгона материального тела до скорости света ее вообще нужно бесконечно много.


Выходит, что без ухищрений типа лягушачьего анабиоза даже до ближайших звезд не добраться? Получается, именно так. Во всяком случае, в нашем привычном и удобном четырехмерном мире, в котором работают законы сохранения энергии и начала термодинамики. Скорее всего, и в другой Вселенной, в которой, например, сборная Бразилии – многократный чемпион мира по хоккею, а коррупция не является системообразующим фактором экономики, дело обстоит не намного лучше. Очень обидно! А ведь как заманчиво, например, работать в районе Невского проспекта, на обед ходить в уютный суши-бар в Токио, а ночевать вообще в скромном трехэтажном домике на небольшом Канарском острове (или наоборот, кому как нравится). 
До чего же скучное это наше пространство-время! Одни пробки, давка в общественном транспорте, дороговизна стульев и авиабилетов для трудящихся всех стран – и никакой телепортации. И все же шлагбаум посреди дороги вовсе не значит конец путешествия. В нашем случае это означает отказ от классической ньютоновой детерминантности и переход в царство случайностей и вероятностей, то есть в квантовый мир. 


Правда, именно случайность и возмущала больше всего Эйнштейна в квантовой механике. В соавторстве с Борисом Подольским (Boris Podolsky) и Натаном Розеном (Nathan Rosen) он опубликовал в 1935 году статью «Может ли квантово-механическое описание реальности быть полным?», в которой сформулировал занятный и элегантный парадокс (позже названный парадоксом Эйнштейна – Подольского – Розена, то есть ЭПР). В чем же он заключается? Первоначальной предпосылкой стал закон сохранения импульса. Пусть пара частиц образовалась в результате распада «материнской» частицы, так что их суммарный импульс равен исходному. Пока ничего сверхъестественного. Но дальше получается полная чертовщина: если мы измерим импульс одной частицы, даже полностью изменив ее состояние согласно принципу неопределенности Гейзенберга, то мы узнаем импульс второй частицы, никак на нее не воздействуя! Но у нее же можно определить координату, то есть узнать принципиально не измеряемые одновременно в квантовой механике вещи!
Такие частицы называются «спутанными» или «связанными»: все, что происходит с одной, немедленно отражается на другой, на каком бы расстоянии они ни находились. Налицо наглядное опровержение принципа причинности, что по меньшей мере абсурдно. В добавление ко всему, еще и скорость взаимодействия спутанных частиц… бесконечна! Этим парадоксом Эйнштейн подтверждает свой ранний вывод: квантовая теория – не слишком цельная математическая абстракция, полная противоречий. В одном из писем великий ученый выразился очень ярко и образно: «Если, согласно квантовой теории, наблюдатель создает или может частично создавать наблюдаемое, то мышь может переделать Вселенную, просто посмотрев на нее».


На многие годы статья Эйнштейна и его ассистентов в Принстонском университете, Бориса Подольского и Натана Розена, стала самой обсуждаемой в физическом сообществе. В дискуссиях на тему ЭПР-парадокса приняли участие практически все титаны теоретической физики: Бор, Шрёдингер, Фок, Швингер, Фейнман и другие именитые ученые, – а общее число публикаций, посвященных абсурдному с точки зрения классической физики явлению, приближается к нескольким миллионам!
Однако сам Эйнштейн считал, что ЭПР-парадокс, сформулированный в виде гипотетического эксперимента, убедительно доказывает, что квантовая теория далеко не совершенна и полна логических неувязок. Вскоре после окончания Второй мировой войны за парадокс взялся молодой американский физик Дэвид Бом (David Bohm), сформулировавший математически проверяемую версию ЭПР-эксперимента. В ней также задействованы пары частиц (электронов) с полным спином, равным нулю, удаляющиеся друг от друга. Для измерения спина за щелевой мишенью в сильном магнитном поле установлены детекторы. Магнитное поле здесь необходимо для придания спину определенного направления (насколько это возможно в квантовой механике).
В результате всевозможных манипуляций с детекторами (эту длинную цепочку рассуждений опускаем) исследователь получает более чем странные зависимости. Во-первых, направление спина зависит от произвольной очередности наблюдений! Во-вторых, конфигурация детекторов может привести к тому, что одна и та же частица имеет разнонаправленный спин. 

Эрвин Шрёдингер (Erwin Schrodinger), познакомившись с работой Бома, заявил: квантовые корреляции сильнее классических! Для спутанных частиц так и должно быть. Эту реплику перевел на язык математики Джон Стюарт Белл (John Stewart Bell), ирландский физик, в 1960-х годах – сотрудник Европейской организации по ядерным исследованиям (Conseil Europeenne pour la Recherche Nucleaire – CERN или ЦЕРН). Он разработал теорему, впоследствии названную его именем, обосновавшую возможность надежной экспериментальной проверки спутанных состояний. Для этого надо брать не два, а три или четыре детектора, располагая их под произвольными углами по отношению друг к другу. Очень важно, что интерпретация результатов носит сугубо статистический характер и предстает в виде некоторой функции S. Если ее модуль не превышает значения «2», то частицы не спутаны. 
Проверкой теоремы Белла занялись многие исследовательские группы, однако лишь в 1982 году аспирант Парижского университета Ален Аспэ (Alain Aspect, в отечественных источниках почему-то называемый в английской транскрипции – Алан Аспект) получил достоверные и убедительные результаты. Он провел серию высокоточных опытов с двумя детекторами, удаленными на 13 метров, и спутанными поляризованными фотонами, испускаемыми атомами кальция. Оказалось, что модуль функции S может сильно превышать «2».
Но и это еще не все. Американские физики Дэниел Гринбергер (Daniel Greenberger) и Майкл Хорн (Michael Horne) вместе с австрийским коллегой Антоном Цайлингером (Anton Zeilinger) показали, что ЭПР-парадокс лучше проявляется в экспериментах с триадами и тетрадами спутанных частиц. Дальше – больше: сейчас уже дело дошло до шести частиц – спутанных ионов бериллия. 


Что же получается? Эйнштейн неправ, и скорость света как скорость передачи информации и взаимодействий вовсе не предельна? В некоторой степени это так, но только никаких «звездных врат» нам это не обещает.
Телепортация на сегодняшнем этапе – совсем не то, что обычно имеется в виду: мгновенный перенос материальных объектов на произвольные расстояния. В опытах Чарльза Беннета (Charles Bennett), автора термина «квантовая телепортация», и его последователей перемещается состояние частицы, а не она сама. То, что мы имеем сегодня и в близком будущем, напоминает отправку почтой паспорта пассажира, а вовсе не его собственное путешествие. Но неужели ни одна мышь не смотрит на Вселенную? Или хотя бы на пробки?


***
Как телепортировали квантовое состояние
1997 – экспериментальная реализация перенесения поляризационного состояния фотона независимо двумя группами ученых: под руководством Антона Цайлингера в Университете Инсбрука (Leopold-Franzens-Universitat Innsbruck) и Франческо де Мартини в римском университете Ла Сапиенца (Universita degli studi di Roma La Sapienza).
2004 – телепортация квантового состояния иона атома кальция и кубита (квантовая единица измерения информации) на основе иона атома бериллия; последнее положило начало серьезным разговорам о создании квантовых компьютеров.
2006 - группа ученых из Института Нильса Бора (Niels Bohr Institute) в Копенгагене впервые смогла осуществить перенос квантового состояния между объектами различной природы: квантами лазерного излучения и атомами цезия.
2009 – квантовое состояние иона удалось телепортировать на расстояние в один метр.
2010 – расстояния растут китайские физики передали квантовое состояние на 16 километров.
2012 – настоящий «квантовый скачок», и снова отличились китайские исследователи: передали 1100 запутанных фотонов на расстояние 97 километров; буквально тут же их «перебили» австрийцы, которым пока и принадлежит рекорд дальности – 143 километра над водами Атлантического океана.


Читать эту статью можно в онлайн версии журнала «ММ»:

 http://www.21mm.ru/?mag=91#096


Всего 3 комментария
Открыть Свернуть Комментировать
Комментарии
  • Александр Новиков
    00:00   /  02 апреля 2013
    развернуть
    Ким, а как же лженаука из прошлого материала???? Тут тоже попахивает чем то не известным и не познанным, что не соответствует нынешним представлениям официальной науки.
    И, кстати, по поводу телепортации я готов поспорить. Во всяком случае предложить свою версию.)
    • Ким Александров
      01:47   /  04 апреля 2013
      развернуть
      Так я о том же! Физическая телепортация на современном этапе невозможна, пока речь может идти только об переносе информации, порой даже совершенно бесполезной и хаотичной. А это, согласитесь, совсем не одно и то же. Лженаука же будет утверждать, что мгновенное перемещение любых тел - вообще плевое дело.
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика