Минулого місяця відбулося відразу два цікавих події в сфері квантових технологій: китайські вчені телепортували фотони світла з наземної станції на космічний супутник і пройшла щорічна конференція провідних експертів квантової фізики в Москві. Виданню Business Insider вдалося зловити на ній доктора Юджина Ползік з Інституту Нільса Бора, одного з провідних фахівців квантової телепортації, і розпитати його з найрізноманітніших питань, включаючи про видатного успіху його китайських колег.
Ми давно мріємо про подібної технології з «Зоряного шляху», хоча наша інтуїція завжди говорила про те, що телепортація в принципі неможлива. Однак фізика нашого реального світу, в якому ми щодня перебуваємо, мало схожа на фізику світу квантів. Тут закони падаючого каменю з обриву скелі і керуючі електронами і окремими фотонами світла повністю відрізняються від того, що ми звикли бачити. Тому в такому химерному світі можливо практично все, в тому числі і телепортація. На як у всьому цьому розібратися? Почати слід з квантової заплутаності.
Що таке квантова заплутаність?
Іноді дві квантові частинки виявляються дзеркально пов'язаними. Щоб не відбувалося з однією з цих частинок, те ж саме буде відбуватися і з іншого. Навіть якщо вони розділені великими відстанями. Вони як і раніше залишаються двома окремими об'єктами, але при цьому є ідентичними у всьому. Коли дві частинки поділяють між собою свої статки, то такі частки називаються заплутаними.
«Припустимо, я створив пару заплутаних фотонів», - пояснює Ползік.
«Я залишаю один у себе, а інший відправляю за допомогою лазера на що знаходиться на орбіті космічний супутник, сподіваючись на те, то фотон досягне точки призначення. Телепортацію можна вважати успішною тільки при поділі стану заплутаності двох фотонів проміжній одержує станціями ».
Основна технічна складність процесу телепортації полягає в передачі фотона на деяку відстань від заплутаною частки-партнера. У випадку з китайським експериментом, один фотон знаходився в лабораторії на Землі, а другий був успішно відправлений до орбітального супутника. Зміни, що відбулися з фотоном на Землі в рамках маніпуляцій вчених, відбилися також і на фотоні, що знаходиться в космосі, - це і є квантова телепортація в чистому вигляді.
Як зрозуміти, чи отримав супутник потрібний фотон, а не якусь випадкову частку світла?
Зробити це відносно просто завдяки процесу, званому спектральної фільтрацією. Він дозволяє вченим визначити і простежити за окремими фотонами світла, маркіруючи їх унікальним ідентифікаційним номером.
«Вам відома частота фотона, який ви посилаєте, вам відома його спрямованість. Супутник спрямований на джерело відправки, що розташовується на Землі. Якщо ви маєте в своєму розпорядженні дуже хорошим оптичним обладнанням з обох сторін, то ця оптика бачить виключно джерело, і нічого більше », - продовжує пояснення Ползік.
Метод спектральної фільтрації байдужий до «шуму» у вигляді інших фотонів. Наприклад, при проведенні того ж експерименту на Канарських островах передача проводилася при ясному сонячному небі.
Відбувалася передача мільйонів фотонів на супутник, але до точки призначення дісталися лише 900. Чому?
Чим далі ви намагаєтеся відправити заплутаний фотон, тим менш ефективним стає цей процес. Більш того, атмосфера Землі знаходиться в постійному русі, тому втратити фотони на їх шляху проходження у відкритий космос простіше простого.
«Навіть якщо б там не було атмосфери, вам як і раніше необхідно фокусувати промінь світла, щоб він був спрямований на супутник. Якщо посвітити лазерною указкою на долоню, то точка світла буде маленькою, але варто тільки видалити лазер, і точка стає більше - це закон дифракції », - каже Ползік.
З землі світла досить складно пробитися до космосу (до оптичного приймача, встановленому на орбітальний супутник). Він сильно спотворюється, тому більшість фотонів просто йде в нікуди.
«Добитися успішної телепортації можна лише на дуже короткому проміжку часу. У загальному сенсі це дуже непрактично, але тим не менш способи застосування даної технології можна знайти », - продовжує Ползік.
Квантова телепортація - це можливість миттєвої передачі даних?
Не зовсім. Телепортіруемие об'єкти не зникають, а потім знову з'являються десь ще. Вчені використовують стан заплутаності для передачі інформації про квантовий стан одного фотона на інший. Без цієї інформації фотону доведеться фізично долати всю дистанцію між передавачем і приймачем. І знову ж таки, інформація не передається миттєво. Таке можливо тільки тоді, коли відправник проводить вимірювання квантового стану свого фотона, тим самим змінюючи стану фотона на приймачі. Через квантової заплутаності по суті один фотон «стає» іншим фотоном.
Так для чого все це потрібно?
Альберт Ейнштейн якось назвав квантову заплутаність «моторошним дальнодействием», але це дальнодействие є фундаментальним компонентом, завдяки якому все працює. І одного разу він може стати драйвером нашого безпечного спілкування в майбутньому.