Телепортация посредством телепатии
АрхивНадеюсь, статья Михаила Ваннаха вывела вас из привычной колеи и заставила проверить сохранность вашего общеобразовательного багажа. Поднятая им тема сейчас как нельзя более кстати. Нам пора вспоминать квантовую физику.
Откуда звон?
На всякий случай оговорюсь: первое апреля состоялось и закончилось. "Компьютерра" больше не будет сеять в умах читателей вредные антинаучные заблуждения. Михаил Ваннах абсолютно прав в том смысле, что практически осуществимой технологии телепортации никто пока не придумал - но из этого не следует, что она в принципе невозможна. С точки зрения современной физики, телепортация скорее всего не противоречит фундаментальным законам.
Прав Ваннах и в том, что информацию о наличии и состоянии элементарных частиц, слагающих человека (равно как и любой другой материальный объект) нельзя передать по телеграфу. Телеграф необходимо дополнить еще одним каналом связи, который действует мгновенно и независимо от расстояния. Сам Альберт Эйнштейн, лично приложивший руку к открытию этого способа связи, назвал его телепатическим.
Впрочем, некоторые специалисты считают, что для передачи человека по телеграфу вовсе и не надо забираться вглубь до элементарных частиц, как это предлагает сделать Михаил Ваннах. Вполне приемлемый результат можно получить, копируя на уровне атомных структур, которые мы можем измерять и воспроизводить, оставаясь в рамках классической физики.
Но сначала я хотел бы рассказать о новейших результатах, касающихся истинной телепортации. В 1993 году в журнале "Physical Review Letters" шестеро ученых опубликовали статью под названием "Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and EPR Channels". К объяснению названия статьи я вернусь ниже, а пока заметим, что слово телепортация использовано здесь как нормальный научный термин.
"Открытие шестерых" привлекло внимание западной прессы. Этому изрядно содействовала корпорация IBM, поскольку среди авторов был сотрудник IBM Research (Charles H. Bennett). Прошлой осенью я своими глазами видел в "Scientific American" очередной рекламный разворот IBM, на котором живописные старик со старухой договаривались о телепортации объекта под названием "goulash". Заметив еще раньше, более года назад, сообщение о телепортации на Web-сайте IBM, я узнал, что goulash - не что иное, как хорошо известный посетителям советских столовых гуляш, который, оказывается, пришел туда из венгерской кухни.
Сообщение о телепортации гуляша не могло не попасть в российскую прессу, повадки которой нам всем хорошо известны. Если в последние годы вы что-то слышали о передаче человека по телеграфу, то это, скорее всего, было отголосками IBM'овской рекламы. Разумно предположить, что ими же вызвана и отповедь Михаила Ваннаха. Между тем, "открытие шестерых" стоит на твердой почве моделей квантовой механики, а экспериментальное подтверждение, по-видимому, не за горами.
За давностию лет я в квантовой физике разбираюсь на уровне рядового читателя научно-популярной литературы, однако не удержусь от изложения сути дела - чтобы не было обидно за напрасно потраченные выходные. Изложить - изложу, а вот объяснять не рискну. Во-первых, не полагаюсь на свои познания, а во-вторых, квантовые явления вообще необъяснимы, поскольку противоречат нашему физическому опыту. Тем не менее, они прекрасно описываются математически, а вызываемые ими макроскопические эффекты позволяют провести косвенную экспериментальную проверку теоретических моделей.
Квантовая телепортация
Предположительно, "шестеро" открыли, как "передать" состояние одной элементарной частицы (которую неминуемо придется уничтожить) другой такой частице, находящейся в другой точке пространства. Казалось бы, что в этом такого? Можно измерить параметры состояния исходной частицы, потом приложить управляющее воздействие к другой частице - вот и все. Однако тот самый принцип неопределенности, о котором пишет Михаил Ваннах, запрещает это сделать. Теоретически невозможно измерить все параметры состояния частицы одновременно и с любой заданной точностью. Повышая точность измерения мы разрушим объект, но даже тогда останется некоторый неуловимый квантовый "остаток".
"Шестерка"показала, что состояние можно передать, не измеряя (то есть, не зная его), с помощью третьей частицы-посредницы. Вот как это излагается на Web-сайте IBM, с которого скорее всего вы начнете, если решите поднять первоисточники.
Сначала две частицы - будущая копия и посредница - живут совместно (как сказано, "переплетаются"), а потом "расходятся". Затем частица-посредница "соударяется" с частицей-оригиналом, в результате чего обе исчезают. Если наблюдатель измерит обычным, вполне допустимым в классической физике способом параметры этой реакции, а потом передаст их по каналу связи и приложит воздействие к оставшейся частице, то она примет в точности такое состояние, которое имела частица-оригинал (рисунок 1).
Недостающий "квантовый остаток" информации о состоянии сообщается частице-копии благодаря так называемому эффекту Эйнштейна- Подольского- Розена (EPR). В своей статье, опубликованной еще в 30-х годах, эти авторы предсказали, что если две частицы "переплетаются", а затем "расходятся", продолжая свой путь независимо друг от друга, то они как бы продолжают вести себя согласованно.
В 60-х годах Джон Белл показал, что поведения двух "переплетавшихся" частиц - как и положено в квантовом мире, случайные - обнаруживают непостижимую корреляцию. Затем эффект EPR был подтвержден экспериментально. С тех пор он считается одним из наиболее вызывающих с точки зрения классической физики квантовых явлений, подтверждающих продуктивность подходов "новой физики".
Вернемся теперь к названию статьи "шестерых". Его можно перевести так: "Телепортация неизвестного квантового состояния через двойной, классический и EPR-овский, канал". Занимательно, что передача информации по этому второму каналу имени Эйнштейна-Подольского-Розена происходит через прошлое, как бы назад во времени. Сначала частица-посредница взаимодействует с копией, а потом уж с оригиналом. И оригинал, и обе частицы-посредницы из EPR-овской пары разрушаются.
Для нас, однако, важен чистый итог этой махинации. Все элементарные частицы одного вида абсолютно идентичны, они отличаются только состояниями - например, направлением и скоростью движения. Если частица исчезает в одном месте, а в другом появляется одна (не более!) такая же и в таком же состоянии, то это и есть идеальнейшая телепортация.
Доказательство или опровержение?
Теперь я хотел бы прибавить к сообщению IBM кое-что из других источников. Во-первых, "эффект" EPR в других местах называют "парадоксом". Эйнштейн, который не был поклонником квантовой механики (ему приписывается фраза - мол, не могу поверить, что Бог играет в кости), предложил этот мысленный эксперимент в числе других аргументов, доказывающих, что у квантовой школы не сходятся концы с концами. Статья Эйнштейна, Подольского и Розена, опубликованная в "Physical Review" в 1935 году, называлась "Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete" ("Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической действительности является полным?").
Кстати, при поиске информации в Сети полезно иметь в виду, что иногда к аббревиатуре EPR добавляется еще буква B и получается EPRB. Тем самым отмечается вклад физика Бома (Bohm), который в середине 50-х годов предложил теоретическую альтернативу квантовой механике и обозначил возможность экспериментальной проверки эффекта EPR.
В 1964 году Джон Белл придумал схему эксперимента, который был призван доказать, что парадокс EPR на самом деле никакой не парадокс, а просто теорема, описывающая невероятный, но происходящий на самом деле эффект. Впоследствии схему довели до высокой наглядности, но пока не все возражения удалось отбить. Некоторые физики полагают, что с экспериментальным доказательством существования эффекта EPR еще не все чисто.
Для демонстрации EPR обычно "берут" нейтральный объект, описываемый одним волновым уравнением Шредингера, и "дают" ему испустить два фотона. Это может быть результатом распада пиона, или "падения" возбужденного электрона в атоме через два квантовых состояния. Эйнштейн с коллегами говорил о таких параметрах состояния частиц, как скорость, момент и спин, однако проще всего измерить поляризацию. В данном случае векторы поляризации обоих фотонов будут параллельны и направлены навстречу друг другу.
Период "сосуществования" еще не рожденных фотонов, это как раз то, что на Web-сайте IBM названо "переплетением". После акта излучения оба фотона и объект, который их испустил (если, конечно, от него что-то осталось), по-прежнему описываются одним волновым уравнением, как бы далеко они не разлетелись. Это приводит к многочисленным парадоксальным последствиям, которые теоретики могут рассматривать с разных точек зрения, а экспериментаторы - демонстрировать, например, ставя на пути фотонов поляризационные фильтры.
Чтобы понять, как проявляется EPR в эксперименте, приходится напрячься и вспомнить кое-что из обычной школьной физики. Дело того стоит, поскольку речь идет об одном из самых поразительных квантовых эффектов.
Электромагнитное излучение, элементарным проявлением которого является фотон, в каком-то смысле похоже на поперечные акустические колебания в твердом теле. В отличие от обычного звука, когда сжатие и разрежение происходит вдоль направления распространения волны, поперечные колебания - это сдвиговая деформация. Сдвиг слоев туда-сюда происходит перпендикулярно направлению распространения. Направление сдвига для поперечной волны аналогично направлению поляризации для волны электромагнитной (рисунок 2).
Вокруг термина "поляризация" есть легкая путаница, отражающая историю исследования вопроса. Можно считать, что каждый отдельный фотон поляризован: он как бы колеблется в одном определенном направлении. Это проявляется во взаимодействиях. Например, при встрече с зеркалом под углом фотоны с "неподходящей" поляризацией "врезаются" в него и поглощаются, а фотоны с "подходящей" поляризацией - отражаются.
Однако световое излучение солнца, свечи и всех других источников, с которым физики имели дело в природе, представляет собою множество фотонов с разными направлениями поляризации. Чтобы такой световой поток начал проявлять угловую избирательность, его надо поляризовать - "причесать" фотоны, придать им одинаковую поляризацию, отражая свет от зеркал или пропуская через поляризационный фильтр. Таким образом, термин "поляризация" имеет как глагольный, активно-преобразовательный смысл, так и выступает, как название одного из параметров частицы или потока частиц.
Что касается фотона, то он, как и всякая элементарная частица, ведет себя случайным образом, а поведение его изучается статистически. Желание выдержать хороший тон заставляет меня упомянуть и о том, что, в соответствии с канонической точкой зрения квантовых механиков, девственный фотон вообще не имеет никакой поляризации. На практике это означает: мы не знаем и не можем узнать ее, пока фотон не пройдет через поляризатор. Но уж если после этого фотон уцелел, то мы знаем его поляризацию наверняка.
Исход эксперимента, в котором фотон (или фотоны) встречается с зеркалом или с поляризационным фильтром, - случаен. Если направление фильтра совпадает с направлением поляризации фотона, то он пройдет, если они перпендикулярны друг другу, то поглотится, а при промежуточных положениях пройдет или поглотится с той или иной вероятностью в зависимости от угла.
Напоминаю: вы читаете не лекцию по физике, а мой конспект. К сожалению, с этого момента я вынужден слегка интерпретировать прочитанное, поэтому прошу профессионалов меня поправить, если заблужусь.
Итак, можно сказать, что фотон делает выбор - принять направление, "навязываемое" поляризатором, или погибнуть. Допустим, мы имеем идеально прозрачный поляризатор, который попусту фотоны не поглощает. Если фотон еще не поляризован, то вероятность, что он пройдет поляризатор, равна 1/2. Если фотон уже поляризован, то вероятность прохождения равна квадрату косинуса угла между его собственной поляризацией и той, которую "навязывает" фильтр. Если на пути фотона с неизвестной поляризацией стоят два поляризатора, то с вероятностью 1/2 он "подчинится" первому, а вероятность пройти второй будет равна тому самому квадрату косинуса угла между поляризаторами (рисунок 3).
Квантовая телепатия
Если у вас хватило терпения хотя бы дочитать до этого места, то сейчас вы будете вознаграждены.
Рассмотрим EPR'овскую пару фотонов на пути каждого из которых возникает поляризатор (рисунок 4). Важно, чтобы поляризаторы именно возникли - неожиданно, уже после того, как фотоны испущены. Но это отдельная песня, а интересующий нас здесь эффект состоит в том, что оба фотона вместе взятых будут вести себя, как один. Вероятность прохождения через поляризаторы обоих фотонов будет точно такой же, как вероятность прохождения одного фотона через два поляризатора: одна вторая квадрата косинуса угла между ними.
Эффект EPR выглядит особенно вызывающе, когда поляризаторы стоят под прямым углом друг к другу. Как было сказано выше, одиночный фотон не может преодолеть такое "заграждение". В случае двух фотонов противоположной, но неизвестной (несуществующей) наперед поляризации, казалось бы, имеются неплохие шансы, что пройдут оба - но нет, на самом деле оба не проходят никогда! Что столь же странно: если два поляризатора параллельны друг другу, то оба EPR-овских фотона будут их проходить или поглощаться, как один. Поэтому такую пару частиц часто называют синглетом.
Такое впечатление, что если один фотон "решил" принять предложенную поляризацию, то и второй сделает то же самое - а в результате он гарантированно поглотится перпендикулярным к первому поляризатором или гарантированно пройдет через параллельный. Есть много описаний этого эффекта на примере "бытовых" случайных событий - вытягивания карт из колоды или бросания костей.
В любом случае приходится допустить, что один из фотонов (вариант: одна из колод карт или один из наборов костей) каким-то образом мгновенно и на любом расстоянии узнает о выборе, сделанном партнером. Кости, карты и обычные, независимо испущенные фотоны так себя не ведут, а вот EPR'овская пара сохраняет единомыслие независимо от скоростей и расстояний. Понятно, что если оставаться в рамках здравого смысла, то надо предположить, что парные фотоны каким-то способом обмениваются информацией быстрее света.
Смысл парадокса EPR нагляднее всего проявляется в явлении так называемой нелокальности (нездешности). В самом деле, наблюдая вблизи себя самый обычный фотон и пытаясь повлиять на него, мы не можем сказать, здешний ли он, зависит ли он только от местных условий, или загадочным образом увязывает свое поведение с другим фотоном, находящимся неведомо где. Если тот решил пройти поляризатор, то тамошний наблюдатель уже знает, как он поляризован, но может передать нам сообщение об этом только со скоростью света. Его сообщение не сможет даже догнать "наш" фотон - и, тем не менее, он обязан быть поляризован противоположно своему собрату и соответственно себя вести.
Многочисленные источники утверждают: сам Эйнштейн - уж не знаю, всерьез или саркастически - предположил, что части такой размазывающейся по пространству квантовой системы поддерживают ее целостность, общаясь между собой посредством телепатии.
Прикладные решения
Шестерка открывателей квантовой телепортации тоже упоминает эйнштейновскую телепатию, которая, собственно, и является вторым, неклассическим, каналом, по которому происходит передача информации о состоянии в их модели. Саму статью шестерых не составляет труда найти в Сети. Не думаю, что многие из нас смогут в ней разобраться, но хотя бы просмотреть ее стоит. Между прочим, авторы рассматривают более замысловатые схемы телепортации и не исключают, что удастся найти способ сохранять носители квантовой информации длительное время. На меня произвел наибольшее впечатление тот факт, что квантовая телепортация оказалась вывернутым наизнанку способом "телепатической" передачи полезной информации на основе эффекта EPR.
Читателям "Компьютерры" вряд ли надо объяснять, что "открытие шестерых" пока не приближает нас к решению насущных проблем - например, таких, как получение Ваннахом накопившихся в кассе гонораров. Мы все равно не можем телепортировать ни Ваннаха в Москву, ни его деньги в Тулу. Что ж, обратимся к популярному сетевому ресурсу, трактующему практические аспекты реализации телепортации - к сочинению физика Самюэля Бронстейна (Samuel Braunstein) "A Fun Talk on Teleportation". Собственно, это автоконспект его выступления в каком-то клубе любителей науки и фантастики.
Бронстейн, список научных трудов которого с очевидностью свидетельствует, что он разбирается в этих делах на три десятичных порядка лучше нас с Ваннахом вместе взятых, полагает, что принцип неопределенности просто не имеет отношения к делу. По его мнению и по мнению нескольких других ученых, которым он, по его словам, задал этот вопрос, вполне достаточно воспроизвести человеческое тело с точностью до атомов, а они слишком велики, чтобы принцип неопределенности играл заметную роль.
Что касается квантовых состояний атома - таких, как положение возбужденных электронов - то ими можно спокойно пренебречь. В подтверждение этому Бронстейн указывает, что множество людей проходят в медицинских учреждениях процедуры сканирования методом ядерного магнитного или электронно-спинового резонанса, которые как раз и изменяют квантовые состояния атомов тела, однако считаются совершенно безвредными.
Переход от элементарных частиц к атомам упрощает задачу на много порядков, но все равно мы не имеем адекватной технологии сканирования и, главное, восстановления объекта. Тем не менее, Бронстейн приводит некоторые подсчеты, которые даже в самом щадящем приближении дают объемы информации, абсолютно неподъемные для накопления, обработки и передачи при современном состоянии технологии.
Замечу от себя: задача сканирования и моделирования нейронных структур головного мозга человека с целью сохранения его личности в компьютерной среде, чему в свое время была посвящена наша тема "Я памятник себе", еще на много порядков проще и это, в общем, вполне мыслимое предприятие.
Позвольте сказать еще пару слов о последствиях копирования конкретного человека в какой бы то ни было форме (я, кстати, решительно не понимаю, почему всем так дался Лем и зачем ссылаться на него, когда все ясно задолго и без его эпохального труда). Так вот, копирование, на мой взгляд, отнюдь не является какой-то невообразимой ересью.
Во-первых, поначалу это будет чрезвычайно дорогой процесс, злоупотреблять которым никто в здравом уме не станет. Во-вторых, акт копирования будет иметь не только приятные последствия. В частности, между копиями придется разделить права и обязательства, в том числе, например, имущество. Наконец, постановки "неразрешимых" моральных вопросов типа: как это они будут спать с одной женой, мне кажутся совершенно идиотскими. Как захотят, так и будут, хотя бы и сразу вдвоем. Люди научились решать и не такие проблемы.
И вообще...
Я, впрочем, совершенно согласен с Михаилом Ваннахом в его критике массового образования. Не знаю, как там обстоит дело на Среднем западе США, но знаю точно, что наличие учителей физики в сельских и городских школах России ничего не меняет. Однако, меня, по правде говоря, гораздо больше беспокоит массовая безграмотность в части логики и софистики.
Я то и дело ввязываюсь с ретивыми читателями в споры по переписке и через несколько витков дискуссии убеждаюсь, что имею дело с человеком, который ну совершенно не понимает, что значит выдвинуть, доказать или опровергнуть тезис. Причем, у таких оппонентов обычно бывает сколько угодно свободного времени на то, чтобы закидывать меня письмами, не давая себе труда читать ответы. Приходится людей "посылать", что, как ни странно, их очень обижает.
Тем не менее, случаются удивительные находки. Так, недавно мы сцепились с одним читателем по вопросам образования, а в результате "Компьютерра" обрела Константина Кнопа.
Возвращаясь к теме, я хотел бы еще пояснить, что общего у "Компьютерры" с квантовой телепатией, телепортацией и прочей "саграджой". Дело в том, что если такие штуки удастся реализовать, то это будет поистине звездный час информационных технологий. Телепортация означает не что иное, как тотальную замену транспорта связью. Сканирование и восстановление объектов по их атомным "чертежам", это универсальная технология материального производства. По большому счету, труднее всего представить себе, откуда взять столько энергии, сколько потребовали бы соответствующие методы.
Может быть, не все знают, что в распоряжении человечества уже сейчас имеются инструменты нужной разрешающей способности. Так, электронно-механический микроскоп, изобретенный исследователями из той же IBM Research лет десять тому назад, может "видеть" отдельные атомы на поверхности кристалла и манипулировать ими, а технология производства микросхем приближается к атомному уровню точности при создании плоских структур.
Мы с удовольствием опубликуем критику, поправки, комментарии специалистов по этой статье и очень заинтересованы в авторах, которые разбирались бы в технологии квантовых вычислений. Мой адрес для конфиденциальной переписки:
|
