100 великих научных открытий

С недавнего времени повышенное внимание всего человечества приковано к явлению квантовой телепортации. Казалось бы, телепортация — понятие чисто фантастическое. В реальном мире никто и ничто не может в один миг перенестись из одного места в другое. Но нет! В физике процесс телепортации тесно связан с квантовой запутанностью и подразумевает перемещение в пространстве характеристик квантовых частиц.

Впервые о телепортации обмолвились А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен в далеком 1935 г., открыв эффект имени себя (EPR

). Главная идея этого эффекта состояла в разложении Вселенной на автономные части реальности, каждую из которых можно было бы описать математически. В рамках данной идеи ученые высказали догадку, что две частицы, связанные каким-либо событием — например столкновением между собой или рождением в результате распада общего «предка», — оказывают взаимное влияние одна на другую. Изменение свойств одной частицы влечет изменение свойств другой — более того, это происходит моментально, причем даже на большом расстоянии.

Связанные подобным образом частицы были названы запутанными, и в 1980 г. французский физик Алан Аспе провел эксперимент, доказавший их существование. Когда ученый измерял какую-либо характеристику одного из членов связанной пары, другой тут же «информировался» не только о результате, но и о способе измерения.

Применение квантовой запутанности было найдено в 1993 г. благодаря американскому физику Чарльзу Беннетту, который придумал, как переносить квантовые характеристики одного объекта на другой с помощью связанных пар. Четыре года спустя коллектив ученых, возглавляемый австрийским физиком Антоном Цайлингером, впервые телепортировал информацию о фотоне (направление оси вращения частицы, плоскость распространения электромагнитной волны и пр.) между двумя источниками. Позже исследователи повторили подобные опыты с фотоном и группой атомов, а еще — с двумя атомами и атомом-посредником, но никто не знал, как это использовать на практике.

Только в 2008 г. исследователи из американского Университета Мэриленда во главе с Кристофером Монро разработали более или менее удобный способ квантовой телепортации. Два иона иттербия были изолированы на расстоянии метра один от другого в вакууме, в электрическом поле, которое не давало им двигаться. Затем лазерный импульс выбил из «подопытных» фотоны, и те, встретившись, спутали «родительские» ионы между собой. В тот же миг свойства частиц стали одинаковыми, невзирая на метровую дистанцию.

Успех этого эксперимента дал Монро надежду на то, что в скором времени на базе его системы будет собран масштабный квантовый «ксерокс», который сможет передавать копии на дальние расстояния.

Через четыре года китайские физики переправили данные о частицах на 97 км, а исследователи Австрийской академии наук и Венского университета под руководством того же Цайлингера совершили телепортацию между Канарскими островами Тенерифе и Ла Пальма, расположенными на расстоянии 143 км. В ходе эксперимента образовались пары не просто спутанных, но еще и закрученных фотонов, которые сохраняли связь на протяжении 3 км.

Как это получилось? Сначала ученые спутали два фотона, а затем у одного из них изменили поляризацию (плоскость распространения волны). Соответственно другой фотон тоже переориентировал направление своей поляризации. Одна такая пара (1―2) была размещена на передатчике, а другая (3―4) — на приемнике. Пары никак не взаимодействовали между собой, пока передатчик не послал приемнику фотон 1. В итоге этот фотон спутался с 3-м, а 2-й автоматически связался с 4-м — хотя между ними была огромная дистанция.

Это стало прочным фундаментом для всемирной информационной сети — более эффективной, быстрой и надежной, чем Интернет. Сейчас австрийские и китайские ученые сообща трудятся над космическим проектом, в рамах которого будет запущен спутник Quantum Science Satellite с квантовым приемо-передатчиком на борту. Одновременно в Китае и Европе строятся наземные спутниковые станции, которые должны соединить Землю и Космос квантовыми каналами. По мнению ученых, такие спутники позволят создать абсолютно безопасную информационную сеть между Европой и Китаем.

Не так давно Цайлингер провел удачный эксперимент по телепортации квантовых данных — в частности орбитального углового момента поляризации фотона. Вообще, кванты света распространяются лишь в двух плоскостях: вертикальной и горизонтальной. Однако орбитальный угловой момент предусматривает множество видов поляризации закрученных фотонов. В результате можно получить запутанность в сотнях измерений одновременно, и она будет выдерживать дистанции до 3 км. По утверждениям Цайлингера, телепортировать данные возможно даже неизвестному адресату, главное — придумать, как передавать фотоны на большие расстояния, не нарушая их характеристик.