Эксперименты австрийцев и итальянцев
В тонких физических экспериментах удалось сделать то, что самые смелые фантасты считали не более чем нереалистичной фантастикой. Исследуя одну из «связанных» частиц, можно мгновенно (со сверхсветовой скоростью) с любых расстояний получить информацию о состоянии другой частицы. Герои научно-фантастических фильмов и романов давно уже освоили телепортацию, как удобный способ мгновенного перемещения во времени и пространстве. Что же касается реальной жизни, то здесь подобное продолжает оставаться лишь мечтой.
Тем не менее, как говорилось выше, еще в 1935 году Альберт Эйнштейн с коллегами предложил эксперимент по телепортации информации. Этот способ сверхсветовой связи получил название «Парадокс ЭПР». Напомню суть: есть две частицы, которые какое-то время взаимодействуют, образуя единую систему. С позиции квантовой механики эту систему можно описать некоей волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается, и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать такая же функция. Но состояние отдельной частицы неизвестно в принципе: это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в регистрирующий ее параметры приемник, у другой появляются соответствующие характеристики. Именно появляются, а не становятся известными. То есть пересылается квантовое состояние частицы, причем передачи массы, телепортации самой частицы не происходит.
Похожим образом ведет себя разорвавшийся на два осколка снаряд: если до взрыва он был неподвижен, суммарный импульс его осколков равен нулю. «Поймав» один осколок и измерив его импульс, можно мгновенно назвать величину импульса второго осколка, как бы далеко он ни улетел.
Две научные группы – австрийские ученые из университета в Инсбруке и итальянские из университета «La Sapienza» в Риме – утверждали, что им удалось осуществить телепортацию характеристик фотона в лабораторных условиях.
В австрийском университете Инсбрук были выполнены эксперименты по мгновенной передаче свойств одних частиц (поляризации фотонов) другим частицам, находящимся на большом расстоянии друг от друга по предложенной в 1993 году методике Чарльза Беннета (CharlesBennett). Она напоминает мысленный эксперимент по проверке неполноты квантовой механики, обсуждавшейся А. Эйнштейном, Б. Подольским и Н. Розеном в 1935 году. Два фотона пролетают через кристалл с кубической нелинейностью и приобретают противоположные поляризации. Таким образом, измерив поляризацию одного из фотонов, можно сразу же сделать вывод о поляризации второго. Согласно квантовой механике, до момента измерения фотоны находились в состоянии суперпозиции различных поляризаций, их квантовые состояния были неопределенными. После измерения поляризации первого фотона второй также мгновенно получает определенное квантовое состояние. Причем над вторым фотоном никаких измерений не производится, и он может находиться на сколь угодно большом расстоянии от первого. Принцип причинности в этом случае не нарушается, поскольку заранее неизвестно, какое именно из двух состояний поляризации реализуется. Опыты были названы «квантовой телепортацией» свойств частиц.
Эксперименты в Инсбруке передавали «послания» в виде поляризации фотона ультрафиолетового излучения. Этот фотон взаимодействовал в оптическом смесителе с одним из пары связанных фотонов. Между ними в свою очередь возникала квантово-механическая связь, приводящая к поляризации новой пары. Таким образом, экспериментаторы научились связывать фотоны, не имеющие общего происхождения, что открыло возможность для проведения целого класса принципиально новых экспериментов.
В результате измерения все происходило по схеме имени Алисы и Боба, но наиболее сложно было доказать, что квантовое состояние действительно телепортировано: для этого необходимо точно знать, как установлены детекторы при изменении общей поляризации, и потребовалось тщательно синхронизовать их.
Итальянские ученые одновременно рассматривали две характеристики каждой связанной частицы: поляризацию и направление движения. Это позволило теоретически описывать их как отдельные частицы и в то же время, проводя измерения только с первой частицей, получать характеристики второй, не трогая ее, то есть осуществлять телепортацию.
Успехи в телепортации фотонов повлекли желание работать с электронами, атомами и даже ионами, что позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более стабильной. Таким образом, можно будет создавать запоминающие устройства, где принесенная фотонами информация хранилась бы на изолированных от окружающей среды ионах.