Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Первые эксперименты по проверке теории квантовой запутанности связаны с именем профессора Венского университета Антона Зайлингера. Для своих опытов Зайлингер выбрал обыкновенные фотоны — кванты электромагнитного излучения, — попытавшись «телепортировать» эти элементарные частицы в иную точку пространства. Важным элементом экспериментов Зайлингера была подготовительная фаза, ведь необходимо, чтобы в некоторой точке пространства оказался фотон, изменяющий свои характеристики в ходе телепортации и точь-в-точь такой же, как исходная частица. Опыты Зайлингера были признаны удачными, и ему действительно, по мнению других независимых исследователей, удалось показать, что в экспериментах по квантовой телепортации происходит не перемещение материальных объектов, а своеобразная череда мгновенных превращений их состояний.

Тут можем прибегнуть к следующему сравнению: представим себе, что в точке выхода квантового «портала» находится зеркало. Что бы ни происходило с исходным фотоном, зеркало отражает его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Правда, аналогия здесь не полная, поскольку изображение в зеркалах отражается со скоростью света, а скорость квантовой телепортации пока еще считается практически неограниченной. Подчеркнем, что это не противоречит теории относительности, поскольку не происходит перемещение материальных предметов и информацию о свершившемся перемещении сторонние наблюдатели тоже могут получить только по обычным «световым» каналам связи.

Основным объектом телепортационных опытов профессора Зайлингера были пары особым образом приготовленных фотонов с перпендикулярными друг другу плоскостями колебаний. С этого момента предполагалось, что если один из фотонов поляризован по горизонтали, то другой должен колебаться лишь в вертикальной плоскости — и соответственно наоборот. Так получили пары завязанных в «квантовый узел» запутанных микрочастиц. Затем запутанная пара направлялась на полупроницаемое зеркало, так что частицы либо отражались от поверхности зеркала, либо проникали сквозь нее. Возможных вариантов событий было четыре: проходят оба, проходят по одиночке и полностью отражаются. В любом случае оба фотона были теперь связаны друг с другом. Значит, свойства фотонов автоматически передавались друг другу, и они становились точь-в-точь такими же, как свои прототипы, находившиеся на расстоянии в несколько метров. В конечном итоге по показаниям детектора определяли, что телепортация состоялась.

Конечно, по сравнению с телепортационными линиями связи из фантастических романов подобные эксперименты выглядят довольно блекло. Ведь в них не происходит никакого переноса элементарных частиц из одной точки пространства в другую, поскольку в приемном устройстве уже имеется свой фотон и передается лишь информация о его поляризации.

В следующем разделе мы более подробно рассмотрим, что такое квантовая информация и как микрочастицы ее копируют, мгновенно «телепатически чувствуя» происходящие друг у друга изменения состояний. Сейчас же заметим, что после нескольких лет проб и ошибок Зайлингер и его коллеги научились телепортировать до сотни частиц в час. Тем временем французские физики уже начали проводить опыты по телепортации на атомарном уровне.

Фотоны, атомы… Что дальше?

«Я думаю, что в скором времени мы научимся связывать квантовым образом друг с другом даже крупные молекулы», — оптимистично утверждает профессор Зайлингер.

А недавно было показано, что при помощи запутанных состояний микрочастиц можно с невиданной точностью провести синхронизацию удаленных часов. Ученые сумели использовать пары запутанных фотонов для синхронизации с пикосекундной погрешностью (10^-12

с) хронометров, разнесенных на несколько километров. Детектирование одного фотона означает, что другой фотон тоже может быть обнаружен в очень узком интервале времени и такая корреляция между ними может служить для синхронизации часов с очень большой точностью. Синхронизация часов очень часто используется в самых различных физических экспериментах, и повышение точности здесь является довольно старой проблемой. Подобные эксперименты демонстрируют принципиально новый подход и могут иметь множество приложений в фундаментальной и прикладной физике.

Однако проблем вокруг квантовой телепортации еще слишком много. Ведь одним из главных требований «правильного» запутывания является создание «дистиллированно» сверхчистой квантовой среды, а чем сложнее квантовый объект, тем труднее изолировать его от внешнего мира. Если же объект неконтролируемо контактирует с внешним миром, то его неопределенное состояние тотчас преобразуется в «классическую локализацию», и весь процесс квантового запутывания с последующей телепортацией теряет свой смысл.

КВАНТОВАЯ СУТРА