Текст книги "Тайны открытий XX века"

Автор книги: Александр Волков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 38 страниц)

Так бывает в науке

Еще в 1993 году группа американских физиков из исследовательского центра IBM во главе с Чарлзом Беннеттом придумала метод, позволяющий «телепортировать» частицы (или, строго говоря, информацию о них, их квантовое состояние, например, значение спина у электрона или атомного ядра, поляризацию у фотона) из одного места в другое на любое расстояние. Главные роли в этом эксперименте должны были играть «негативные близнецы» – частицы, которые на любом расстоянии ведут себя наперекор друг другу, как будто их что-то «связывает». Схема была такова. Чтобы «телепортировать» частицу С, надо «связать» («сцепить») ее с другой частицей (обозначим ее А), и эту же частицу А «связать» с третьей частицей – В. Тогда свойства частицы С, – помните, «минус на минус дает плюс»? – передадутся частице В.

Тут, конечно, нужны подробности. В принципе за любой нашей репликой могла бы следовать череда поправок, уточнений, замечаний, пояснений, которая завела бы нас в «бесконечный тупик» речи, если бы не одно обстоятельство. Сказанное нами, как правило, и так бывает известно нашему собеседнику, а потому не требует особых комментариев. В данном же случае мы вынуждены вновь и вновь уточнять схему необычного опыта, дополняя ее хоть какими-то подробностями, словно размечая путь в туманном мире квантовой физики.

Итак, чем мы располагаем? У нас есть фотон С (для своих опытов Цайлингер выбрал именно эту элементарную частицу). Мы намерены «телепортировать» его в иную точку пространства. В «доквантовом» мире мы бы переслали, переместили, передвинули наш объект в эту точку со скоростью, не превышающей скорость света. Теперь можно сделать по-другому. Если в той точке пространства будет пребывать такая же частица – фотон, то нам достаточно, чтобы она изменила свои параметры и стала выглядеть точь-в-точь как частица C. Череда мгновенных превращений – вот лучший транспорт квантового мира! Фотон C и безликий фотон B, что воплотит чужой образ, – это начало и конец пути, это старт и финиш. Из пункта C в пункт B путешествует не сам герой, а его «паспорт». В квантовом мире эта «бумажка» воистину важнее любой букашки. Только с ее обретением элементарная частица принимает законченный вид.

Как видите, наша задача изменилась. Мы не частицу собираемся перемещать, мы лишь похитим ее «паспорт» и молниеносно подкинем его другой участнице опыта. В микромире фальшивых документов не бывает. Что записано в них, такова и частица.

Квантовый мир – это мир отрицаний и вычетов. Здесь обретенное «я» непременно означает упущенные возможности – свои и чужие. Если мяч, лежащий у вас в руках, окрашивается в черный цвет, значит, в ту же секунду в руках человека, живущего за тридевять земель от вас, точно такой же мяч белеет. Из двух возможностей воплотились обе: одна – здесь, одна – там.

А если продолжить нашу цепочку? В ней появится еще один человек, сидящий с мячом, загадочно меняющим цвет. Тогда срабатывает «закон отрицания отрицания»: черное – белое – черное. Таков результат мгновенных перемен. «Паспорт» передан. Объект, пребывающий в точке В, теперь выглядит так же, как его прототип С.

^{Телепортация фотонов в Венском университете} 

Для того чтобы это случилось, нужен посредник – фотон А, то есть «негативный близнец» фотонов С и В. Мы можем прибегнуть к еще одному развернутому сравнению. Представьте себе, что в точке С пребывает частица, а в точке А находится зеркало. Что бы ни происходило с фотоном, зеркало А повторит его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Где-то в глубине нашей воображаемой лаборатории стоит еще одно зеркало (В). Оно «копирует» копию, оно повторяет ее гримасы и фортели, снова меняя местами «левое» и «правое». Теперь они совпадают: исходная частица и ее образ, отразившийся в одном из зеркал.

Еще раз повторим. В опыте участвуют: исходная частица С, частица В, которой передадутся ее свойства, и, самое главное, частица А – посредник, сцепленный с обоими фотонами и отрицающий свойства каждого. Чтобы отрицать их, не надо их определять. Не надо разворачивать «мешок», в котором спрятан переменчивый Протей! В квантовом мире любые измерения искажают свойства частицы. Буковки в «паспорте» тут же меняются местами, стоит его развернуть. Изображение в «зеркале» тут же оживает, стоит в него вглядеться.

Но как тогда понять, что фотон А, например, противоположен фотону С? Что ж, приборы позволяют обойти эту теоретическую ловушку. Мы можем отметить, что такая-то пара частиц является «антисимметрично коррелированной», что эти частицы – «негативные близнецы». Но кому какие свойства принадлежат, нам не дано знать. Под нашими взорами частица становится собственным отражением, а ее отражение – частицей. Все перепутывается в зыбком квантовом мире, и «тень говорит голосом человека, а человек подражает собственной тени, и их фигуры неразличимы».

Прервем перечень сравнений и символов. Пора переходить от теории к практике. Героями опыта, поставленного на столе лаборатории в Инсбруке, были незримо «сцепленные» друг с другом фотоны. Чтобы их получить, ученые направляли на нелинейный оптический кристалл световые импульсы, длившиеся всего 150 миллионных долей одной миллиардной доли секунды (генерировал их титаносапфировый лазер красного излучения). Видимые световые сигналы преобразовывались в ультрафиолетовые. Цайлингер помещал на их пути еще один нелинейный кристалл, и тогда вновь возникала пара фотонов красного света – А и В. Хитрость заключалась в том, что плоскости колебаний обеих частиц были теперь всегда перпендикулярны друг другу. С этого момента, если одна из них была поляризована в горизонтальной плоскости, другая совершала колебания лишь в вертикальной плоскости, и наоборот. Так получили первую пару «сцепленных» частиц. Ничего более точного об их поляризации не требовалось знать, она оставалась неопределенной. Фотон В был «чистым листом», на котором ученые собирались записать свойства другого фотона (С), или же «зеркалом», в котором появится чужое отражение.

^{По мнению Антона Цайлингера, скоро можно будет телепортировать молекулы. Сбудутся ли эти прогнозы?} 

Вторую пару фотонов (С и D) тоже получили с помощью нелинейного кристалла. Затем фотон С определенным образом поляризовали – у него появился свой «паспорт». Четвертый фотон (D), «посторонний» на этом карнавале превращений, ученые использовали, чтобы в нужный момент активизировать измерительные приборы.

Сердцем этой установки стало полупроницаемое зеркало. Оно помогло «сцепить» друг с другом фотоны А и С. Значит, свойства фотона С (он ведь имел свой «паспорт») тоже автоматически передавались частице В. Теперь та была точь-в-точь такой же, как ее прототип, находившийся в нескольких метрах отсюда. По щелчку детектора определяли, что телепортация состоялась.

Наш рассказ состоит из повторений и уточнений. Опишем еще раз схему этого необычного опыта. Телепортируемая частица движется в левой части установки. Внезапно она исчезает: «теряет свою идентичность». В тот же миг в том же направлении, но в нескольких метрах отсюда – в правой части установки – начинает двигаться такая же частица, с теми же самыми характеристиками, что и первая. Вот и все. Телепортация состоялась. «Мы имеем дело с совершенно новым способом передачи информации» – говорит Чарлз Беннетт.

Повторимся, в этом опыте не происходит никакого переноса элементарной частицы из одной точки пространства в другую. Нет, в приемном устройстве уже имеется свой фотон. Передается лишь информация о каком-то параметре этого фотона (в данном случае речь идет о поляризации). Одна из частиц копирует информацию, которой обладает другая частица – в этот момент та утрачивает свои прежние свойства.

После нескольких лет проб и ошибок Цайлингер и его коллеги научились телепортировать до сотни частиц в час. Начались опыты по телепортации квантовых состояний атомов.

Фотоны, атомы… Что дальше?

– Я думаю, что в скором времени мы научимся «связывать» друг с другом даже крупные молекулы, – оптимистично говорит Цайлингер.

Однако проблем слишком много. Чем сложнее квантовый объект, тем труднее изолировать его от внешнего мира. Если же объект контактирует с внешним миром, то его неопределенное состояние тотчас преобразуется в «нечто определенное», и тогда процесс «связывания» прерывается. Объект можно телепортировать на большое расстояние лишь в абсолютном вакууме.

И все-таки журналисты постоянно спрашивают Цайлингера, когда же удастся телепортировать человека. Физик лишь разводит руками: «Нам следует раз и навсегда забыть об этом. Мы даже не знаем, сколько времени понадобится, чтобы поставить такие же опыты с более крупными объектами. Даже если мы проводим какие-то квантовые эксперименты с молекулами, мы еще очень далеки от того, чтобы телепортировать их».

Так будет в жизни?

Однако вопрос задают вновь и вновь: «Так можно ли телепортировать человека, подобно частице света?» Теория пока об этом умалчивает, говорит профессор Цайлингер.

«Научная телепортация» подразумевает, что в пункте Б находится точная копия того же фотона, атома и так далее, что и в пункте А. Телепортировать – это передавать сведения о квантовом состоянии объекта и заставлять копию вести себя точь-в-точь как объект. Телепортация не творит двойников, она оживляет их. В тот миг, когда двойник оживает, его прототип теряет свое обличье, развоплошается.

Итак, чтобы телепортировать человека, надо сперва изготовить его… точную копию. Если вы решите молниеносно перенестись на другую планету, заранее доставьте туда «двойника» – перевезите его на обычной, неторопливо летящей ракете. Увы, пока не верится, что подобную копию удастся сотворить. Для этого надо собрать слишком много информации. Быть может, нас выручат квантовые компьютеры? Ведь по своей эффективности они неимоверно превзойдут нынешние медлительные машины.

Подчеркнем, кстати, что ошибается тот, кто думает, что с помощью телепортации можно преодолеть барьер, воздвигнутый скоростью света. Еще Чарлз Беннетт осознал, что сведения, передаваемые при телепортации, делятся на два сорта: на те, что транслируются квантовомеханическим способом (то есть со сверхсветовой скоростью), и те, что передаются классическим способом (то есть скорость их передачи не превышает скорость света).

^{«Я бы не рискнул довериться нашей аппаратуре», – говорит профессор Харальд Вайнфуртер (слева)}

Хотя «сцепленные» друг с другом фотоны, обмениваясь информацией, делают это с бесконечно большой скоростью, однако лицо, передавшее некое сообщение, может узнать от своего адресата о том, что телепортация состоялась (и наоборот), лишь прибегнув к классическому способу – к радио– или кабельной связи. Во время инсбрукского эксперимента специальный счетчик отмечал, все ли три детектора фотонов получили сигнал одновременно или же нет. Эти приборы были соединены друг с другом кабелем, значит, они обменивались информацией лишь со скоростью, не превышающей скорость света.

Итак, как бы быстро ни совершалась телепортация, для нас она станет явью лишь некоторое время спустя.

Следующая неразрешимая пока проблема. В опытах Цайлингера одна частица-посредник передает сведения о квантовом состоянии другой частицы. Если следовать схеме «одно квантовое состояние – один посредник», то при телепортации человека потребуется десять в тридцать первой степени частиц (!), которые должны одновременно передавать сведения о всех соответствующих им и «сцепленных» с ними частицах. Любой крохотный сбой приведет к непоправимым последствиям. Прежний человек перестанет существовать («потеряет свою идентичность», как говорят физики), а его двойник окажется химерическим, дефектным созданием, неприспособленным к жизни. «Я бы не рискнул довериться нашей аппаратуре», – говорит один из участников инсбрукских экспериментов Харальд Вайнфуртер.

Но самое главное: неясным пока остается вопрос о том, насколько материальная копия может отличаться от оригинала. Будет ли это точь-в-точь, до последнего атома, до последней болячки, тот же самый человек, что и вы? Почему эта «коллекция атомов» будет иметь те же воспоминания, что и вы, будет наделена тем же характером, что и вы? Что отличает эту неподвижную фигуру от вас, если вы точь-в-точь совпадаете с ней? Почему вы наделены жизнью, а эта фигура пока нет? Что такое жизнь? Особое сочетание квантовых состояний? Тогда что такое «Бог, вдыхающий жизнь»? Камертон, заставляющий все частицы некоего тела принимать эти «особые квантовые состояния»? Что такое память? Особое сочетание квантовых состояний? В таком случае память присуща всем частям нашего тела, а вовсе не сосредоточена в головном мозге? Мы помним кожей и руками, затылком и спиной? И что же такое душа? Тоже особое сочетание квантовых состояний? Как только вашей копии будет передана информация о квантовых состояниях всех ваших частиц, в нее неизбежно вселится ваша душа? А что будет с вашим прежним телом? Что значит – оно «развоплотится»? Растает, как морок? Почему? Это же плоть, вещество, «сосуд скудельный»! Оно должно сохраниться! Но будет ли в нем по-прежнему теплиться жизнь? И не обнаружится ли в нем после подобной процедуры какая-то новая душа, ведь как-никак, после того как прежняя душа упорхнула из этого сосуда, на месте осталась великолепная копия человека, всем частицам которой присущи какие-то квантовые состояния. И кто гарантирует, что их сочетание не позволит этой фигуре, вроде бы лишенной души, жить своей «особой» жизнью? Подобные вопросы воскрешают в памяти легенду о Големе – человеческой фигуре, сотворенной мудрецом из праха, которая оживала, потому что «притягивала из вселенной свободные звездные токи» (Г. Мейринк, пер. Е.М. Лысенко). Тогдашняя «телепортация» окончилась крахом. Голем повел себя, как чудовище, «убивая всех, кто попадался на его пути». Быть может, если даже мы передадим всю информацию о квантовых состояниях исходного объекта, в ожившем теле окажется невесть что, а вовсе не душа «развоплощенного человека»?

Ответить на все эти вопросы удастся лишь в далеком будущем. Пока, опираясь на знания, накопленные квантовой физикой, мы можем лишь предположить, как будет выглядеть исходный, «развоплощенный» человек. Помните, что в квантовом мире мяч может быть одновременно и белым, и черным? Он примет какую-то определенную окраску лишь в тот момент, когда мы попытаемся взглянуть на него. «Если бы мы телепортировали человека, то на том самом месте, где только что стояло живое существо, – говорит Антон Цайлингер, – появился бы некий условный человек, которому одновременно были бы присущи все обличья и все характеры людей, живших до него и живущих теперь на Земле». Он воплощал бы одновременно все возможные образы человека, был бы Гитлером и Ганди, Булгариным и Пушкиным, Адамом и Евой в одном лице. Впрочем, такое состояние длилось бы краткий миг. Стоило кому-то взглянуть на эту фигуру, содержащую в себе память о всем человечестве, как она моментально приняла бы какой-то определенный образ, окрасилась в свой «черный» или «белый» цвет. Вот только чей образ она приняла бы? Прежнего человека, стоявшего здесь? Или на месте телепортированного человека внезапно возникла бы какая-то другая личность, быть может, давно уже «почившая в бозе» и лишь теперь вызванная к призрачной жизни злым гением теоретической физики?

Наконец, проблема еще и в том, что даже ученые по-разному пока истолковывают некоторые положения квантовой физики. Вернемся к тому же примеру с мячом, который может быть одновременно черным и белым и окончательно принимает цвет, лишь когда мы глядим на него, то есть «измеряем его состояние».

Итак, на наших глазах мяч принял одно из возможных состояний. Допустим, он стал черным. Что это может означать?

Что теперь он всегда будет черного цвета? Что он обрел этот цвет лишь на миг и, как только мы отвернемся от него, он вновь вернется в исходное, «неопределенное» состояние. А может быть, всякий раз, когда возникает подобный выбор, наша Вселенная делится на несколько параллельных миров (по числу возможных состояний)? В одном из них наш «мячик раздора» окрашен в черный цвет, в другом – в белый цвет. В таком случае каждое мгновение рождается бесконечное множество Вселенных, в которых происходят все те события, что не успели разыграться на наших глазах.

Английский фантаст Олаф Степлдон еще в тридцатые годы так описывал эту возможность: «В некоем непостижимо сложном Космосе всякий раз, когда какое-либо существо встречается с различными альтернативами, оно выбирает не одну, а все… И поскольку в этом мире множество существ и каждое из них постоянно сталкивается со многими альтернативами, то комбинации этих процессов неисчислимы» (пер. Е.М. Лысенко). В пятидесятые годы «размножение Вселенных» анализировал уже физик Хью Эверетт.

Во всех упомянутых нами гипотезах особая роль неизменно отводится человеку, ибо именно он «глядит» на окружающий его мир, то есть «измеряет его состояние». Весь мир в таком случае, повторим полюбившуюся Виктору Пелевину мысль, – это своего рода Театр, сотворенный Господом Богом для одного-единственного зрителя, которым являетесь вы. «Мы до сих пор не может постичь, какое место занимает человек в нашей Вселенной, – сказал в одном из интервью Антон Цайлингер. – Возможно, ему отведена куда более важная роль, нежели могли предполагать создатели классической физики».

Вместо постскриптума. Годы телепортаций

В 1998 году Джефф Кимбл и его коллеги из Калифорнийского технологического института сумели телепортировать сразу несколько фотонов.

В том же году исследователи из Лос-Аламосской лаборатории телепортировали направление вращения атомного ядра, заставив другое ядро, находившееся внутри той же самой молекулы, вращаться в этом же направлении.

В 2002 году австралийские исследователи телепортировали лазерный луч, содержавший миллиард фотонов. Луч погас, чтобы тут же, в метре отсюда, вновь материализоваться.

^{В этой лаборатории ведутся опыты по телепортации}

Связанные пары фотонов очень чувствительны и распадаются, когда взаимодействуют с молекулами воздуха. Поэтому все опыты по телепортаций фотонов в лабораторных условиях проводились обычно лишь на расстоянии в несколько метров. На больших расстояниях использовались стекловолоконные кабели, внутри которых находились пары фотонов. Так, в 2003 году в Вене Антон Цайлингер телепортировал тысячи пар фотонов по стекловолоконному кабелю на 600 метров, с одного берега Дуная на другой. По его словам, данный опыт показывает, что информацию можно телепортировать с помощью спутников на расстояние в сотни километров, причем в космосе для этого не понадобится никаких кабелей. Еще раньше он сумел телепортировать фотон на такое же расстояние по воздуху.

Если в первых экспериментах телепортировали частицы на несколько метров, то теперь в Лос-Аламосской лаборатории создана линия связи длиной 48 километров. Впрочем, телепортировать фотоны все-таки гораздо легче, чем другие объекты, поскольку они не обладают ни массой, ни внутренней структурой, и их движением легко манипулировать с помощью линз, зеркал и устройств для расщепления пучка частиц. Зато квантовые состояния атомов гораздо долговечнее, чем фотонов. Поэтому атомы можно использовать для длительного хранения квантовой информации.

В 2004 году сразу двум группам ученых удалось телепортировать атомы – сложные системы, объединяющие большое число электронов и массивное ядро. Предварительно атомы были охлаждены с помощью лазеров почти до абсолютного нуля. Райнер Блат из Инсбрукского университета проводил опыты с ионами кальция; его американский коллега, Мюррей Баррет из Национального института стандартов и технологий, – с ионами бериллия. Схема экспериментов в обоих случаях напоминала описанный выше опыт Цайлингера. Были проведены по несколько сотен опытов по телепортации ионов, причем в 75 процентах случаев ученым удавалось добиться успеха.

В июне того же года Райнер Блат опубликовал на страницах журнала «Science» схему миниатюрного квантового компьютера, состоящего из трех связанных ионов кальция, находящихся в магнитной ловушке.

В ближайшее время можно ожидать опытов по телепортации молекул и даже более крупных объектов, но вот телепортация макроскопических тел, по-видимому, во веки веков остается уделом писателей-фантастов.

«В любом случае можно надеяться, что технология квантовой телепортации позволит создать принципиально новые, невиданные по быстроте и объему памяти вычислительные устройства – квантовые компьютеры», – отмечал на страницах журнала «Знание – сила» B.C. Барашенков. Метод телепортации квантовых состояний ионов можно использовать в схеме квантового компьютера для передачи различных данных, в том числе от одного квантового компьютера другому.

Данный метод можно со временем использовать также в квантовой криптографии для передачи секретных сообщений на расстояние в сотни километров. Передаваемая информация исчезнет в одной точке пространства, чтобы моментально появиться у адресата.