Запутанный вояж

Не спешите, однако, радоваться: квантовая телепортация — это немного не та телепортация, о которой мы читали в фантастических романах и смотрели в фильмах. Поэтому «ВМ» попыталась разобраться, по поводу чего так радуются физики всего мира, и имеет ли отношение к этому эксперименту cтоль любимая фантастами нультранспортировка.

НОСКИ ПОРАСКИДАЛИ

Сначала о китайцах. Речь о первом успехе их квантового спутника связи QUESS, который продемонстрировал передачу информации между парами запутанных фотонов, находящихся в 1,2 тысячи километров  друг от друга.

Запутанные фотоны — это одно из явлений квантовой механики, при котором рожденные одномоментно две частицы оказываются так связаны друг с другом, что изменение одной из них моментально влечет за собой такое же изменение другой, невзирая на разделяющее их расстояние. Для наглядности можно представить себе, скажем, пару совершенно идентичных носков. Один остался в шкафу, а второй уехал вместе с вами в чемодане, скажем в Ижевск (аккурат 1200 километров от Москвы). На беззащитный московский носок напала моль, проделав в нем дырку определенной конфигурации, и в тот же самый момент на носке в Ижевске появилась абсолютно такая же дыра.

Это явление, названное Эйнштейном «призрачным взаимодействием на расстоянии», и продемонстрировали в итоге китайцы. На спутник поместили генератор запутанных фотонов, после чего эти парные квантовые «носки» со спутника разъединили, раскидав по двум наземным станциям, находящимся в 1200 километрах друг от друга. По словам исследователей, проведенный эксперимент «открывает новые возможности для реализации квантовых каналов связи на расстояниях, принципиально недоступных на Земле».

Вот эти-то каналы и не дают сейчас спокойно спать большому числу физиков.

— 1200 км — это рекорд, — объяснил «ВМ» Максим Журавлев, старший научный сотрудник кафедры квантовой физики и наноэлектроники НИУ МИЭТ. — Ведь два связанных фотона представляют собой один объект, пусть и очень протяженный.

С увеличением расстояния между ними растут «шумы», искажения передачи, всякие посторонние воздействия, и увеличивается вероятность того, что связанные фотоны перестанут быть единым целым и распадутся на два отдельных объекта.

ХАКЕР БЕЗ РАБОТЫ

Зачем разносить их на расстояния? В о первых, для защиты информации — говорят, дешифровать закодированную с помощью квантовых средств информацию хакерам не под силу, а если таковые и найдутся, отправитель и получатель шифровки сразу узнают о попытке взлома, так как любое вмешательство в такую систему нарушает запутанность. Во-вторых, длина волоконных квантовых систем криптографии пока не превышает 100–300 километров. Но передавать безопасно данные надо и на гораздо большие — трансконтинентальные (а в перспективе и транспланетные) — расстояния. Как это сделать, пока не ясно. То есть в абстрактной теории все довольно красиво: вы — на Земле, ваш бизнес-партнер — на Марсе, между вами — спутник, генерирующий и «расчленяющий» пары запутанных фотонов (одна частица отправляется на Землю, а другая — на Марс). Нужно что-то сообщить? «Наносите» информацию на свой набор фотонов — партнер мгновенно и без помех получает ее. Ну и в-третьих, есть еще масса других перспектив.

Например, квантовый компьютер, созданием которого уже какое десятилетие грезит ученый люд. В отличие от обычного, где каждый бит информации может быть лишь в одном из двух состояний — ноля или единицы, в квантовом компьютере информацией правят кубиты, каждый из которых может пребывать в обоих состояниях одновременно, что существенно ускоряет процессы. И сегодня это единственная реальная возможность серьезно нарастить вычислительные мощности в таких непроходимых пока по скоростям областях, как генетика, химия, биология или астрономия.

— Если сделаем квантовый компьютер, это позволит быстро, чуть ли не мгновенно, проектировать разные лекарства, делать анализ ДНК, синтезировать абсолютно новые вещества, объясняет Максим Журавлев. — Ведь процесс вычисления того, как, скажем, должны быть упакованы атомы в каком-нибудь кристалле или сложной молекуле, сейчас занимает слишком много времени. Есть и еще одно направление, к которому, например, проявляет серьезный интерес Гугл. Это ускорение поиска информации из неупорядоченной базы данных. Скажем, у вас есть сервер, на который отовсюду сыпятся данные без всякой сортировки: поисковые запросы, документы, новости, музыка и так далее.

Квантовый компьютер сможет мгновенно находить из всего этого хаоса нужное. Но это будущее, в настоящем же в границах Земли сохранить «запутанность» частиц пока что удавалось лишь на расстоянии в 143 километра, так что за спутниками, перекачивающими информацию через космос, действительно может быть будущее. В китайском эксперименте обе наземные станции находились высоко в горах, что свело к минимуму «умирание» запутанности фотонов при их прохождении через атмосферу.

Поймать удалось не все посланные «носки» (ревнивые коллеги из-за рубежа поговаривают об 1 из 6 миллионов) — чтобы улов оказался «жирнее», нужна отладка всех процессов. И китайцы заявили, что следующим этапом станет организация постоянной квантовой спутниковой линии — для этой самой отладки.

Физик Арно Раушенбейтель и его прототип квантового компьютера / Фото: EPA

К БАБУШКЕ В НОРУ

Ну, с квантовой телепортацией, кажется, разобрались. А что же с той самой, заветной, как в книжках и фильмах, когда нажал на кнопочку — и вот ты уже бог знает где от шумной Москвы, бегаешь наперегонки с австралийскими кенгуру или снимаешь кирпично-красный закат на Марсе? А с нею, родимой, пока одни вопросы. Собственно, активно обсуждаются лишь два основных сценария.

Первый предложил один из отцов кибернетики Норберт Винер: в одном месте сканируем каждый атом человека, а потом воспроизводим их в другом. При этом «оригинал» при сканировании уничтожается.

И тут, естественно, вылезает куча нерешаемых проблем: во-первых, слишком мала вероятность, что модель сохранит порядок и органику оригинала (не говоря уж о согласии оригинала на уничтожение), во-вторых, непонятно, как поведут себя структуры нематериальные — например, связанные с нейронами мозга, сохранится ли направление тока крови, импульсные связи в организме и т.д. Да и о душе бы неплохо подумать.

Второй сценарий никакого атомного «разложения» не предлагает. Он предлагает пролезать в специальные дырки:

— Дело в том, что теоретикам пока не очень понятно, за счет чего происходит квантовая телепортация, — объяснил «ВМ» историк науки Сергей Александров. — Теорию относительности никто не отменял, но тем не менее получается, что какие-то ее обходы существуют. Есть гипотеза, что вот этот самый обход (многие ученые называют его «кротовой норой») проходит не только сквозь гигантские черные дыры (некоторые считают, что они вообще представляют собой тоннель в пространстве-времени), но и соединяет запутанные частицы. И есть надежда, что когда-нибудь нам удастся понять, как этот проход создавать искусственно — прежде всего для перемещения самих частиц, а не только информации об их состоянии. В общем, надо научиться делать точки перехода такими, чтобы через них проходили материальные тела.

Сторонники второй гипотезы исходят из того, что в нашем мире существуют так называемые нульпереходы — разрывы в гладком теле пространства-времени, через которые при желании можно и к Ивану Грозному в гости заявиться и к бабушке в Монголию за пару секунд сгонять. Главное, знать, куда проникать.

Вся беда в том, что с обнаружением этих стационарных проходов у нас пока не очень хорошо. Существуют рассказы о том, как люди мгновенно и спонтанно перемещались на многие километры.

Но вот расположение тех «звездных врат», и уж тем более — расписание их работы, оказываются, как правило, в кромешном тумане. Да и как подчинить этот спонтанный процесс, не понятно.

— Для полного понимания и реального приближения к телепортации материальных предметов нам не хватает серьезных открытий на уровне глубокой теории, настоящего переворота в науке, — считает Александров. — Так что пока остается верить в силу человеческого разума и ждать, что открытия уже на подходе.

А ЧТО У НАС?

В мае этого года ученые Российского квантового центра построили первую в стране многоузловую гетерогенную квантовую сеть передачи данных. Кроме того, в реальных жизненных условиях впервые в мире была запущена технология «квантового блокчейна» — защищенного методами квантовой криптографии способа распределенного хранения и верификации любой информации. Для обмена данными использовались одиночные фотоны, состояния которых безвозвратно меняются, как только кто-то попытается их «прочитать». Поэтому незаметно «подслушать» информацию, которая передается по этим каналам, невозможно. Год назад РКЦ запустил первую в России квантовую сеть на городском оптоволоконном канале — 30-километровая линия связала два московских банка.

КАК ЭТО ВЫГЛЯДИТ В КИНО

ЗВЕЗДНЫЙ ПУТЬ (1979)

Авторы сериала вынуждены были ввести телепортацию в сюжет, так как у студии не было денег на дорогостоящие спецэффекты взлета и посадки кораблей. В дешевом варианте актеров «перемещали» по лучу.

ГОСТЬЯ ИЗ БУДУЩЕГО (1985)

В будущем, куда ученику 6 класса «В» Коле Герасимову разрешает заглянуть ненадолго робот Вертер, мальчик пользуется для перемещения плоскими автобусами-телепортаторами.

ОКНО В ПАРИЖ (1993)

Оказаться во французской столице можно, пройдя сквозь тайную дверь в питерской коммуналке, но перемещение возможно только в определенные временные промежутки.

ТЕЛЕПОРТ (2008)

Главный герой открывает в себе необычную способность — он может мгновенно оказаться в любой точке земного шара. По ходу фильма выясняется, что он такой не один.

ВАВИЛОН-5 (1993)

Специальные стационарные врата открывают туннель, через который космические корабли попадают в гиперпространство. У некоторых рас инопланетян есть корабли, создающие свой туннель.

СТРЕЛЕЦ НЕПРИКАЯННЫЙ (1993)

Перемещение в Париж осуществляется с помощью «комбайна», состоящего из машины времени и телепортационной установки. Комбайн главный герой получает в качестве наследства.

DOOM (2005)

В фильме, снятом по одноименной игре, герои перемещаются с Земли на Марс через некий «Ковчег» (по сути — аналог квантового телепорта), в работе которого случаются ошибки вроде отправки одной или нескольких частей тела в одну точку, а всех остальных — в другие. Одна из жертв такой ошибки вынуждена жить лишь с половиной туловища.

ЗВЕЗДНЫЕ ВРАТА (1994)

Для мгновенного перемещения между планетами используется артефакт «Звездные врата», который сначала дематериализует объект, потом передает его в «разобранном» виде через искусственную кротовую нору и на выходе опять материализует. Есть и местная телепортация — с планеты на орбитальный корабль, с корабля на корабль и т.д.