Вопреки законам классической механики, мы научились передавать информацию быстрее скорости света. РИА Новости выяснило, как обмениваются данными кубиты и почему нельзя телепортировать материальный объект.
Загадочный квантовый мир
В квантовом мире информацию измеряют кубитами. В отличие от классических битов, они способны пребывать одновременно в двух состояниях — логических нуле и единице — до того момента, пока их не измерят, вернее, не прочтут информацию.
Роль кубита выполняет искусственный атом с двумя уровнями энергии. Если атом находится на нижнем энергетическом уровне, состояние системы — логический ноль, на верхнем — логическая единица. Физически кубит можно воплотить в фотоне, молекуле, ионе, атоме, квантовой точке — во всем, что излучает и поглощает кванты электромагнитной энергии. К примеру, сверхпроводящие кубиты представляют собой электрическую цепь из тонких слоев металла, охлажденного до сверхнизких температур, между которыми через тонкие слои изолятора туннелируют пары электронов.
Поскольку речь идет о квантовом мире, нельзя сказать, в каком состоянии находится электрон в кубите в каждый момент времени. Это открывает возможности для телепортации — передачи чего-либо в пространстве.
"Для квантовой телепортации необходимы три кубита в состоянии суперпозиции. Допустим, нам нужно передать информацию с первого элемента на третий, причем взаимодействовать, то есть находиться рядом, они не должны. Тогда третий и второй кубиты запутывают с помощью логической операции — их состояния становятся взаимозависимыми, а сами они называются запутанными. И если состояние одного из них измерить, то состояние второго автоматически будет противоположным. Все равно что бросить в ящик черный и белый шарики, а потом наугад извлечь один из них: цвет второго будет известен со стопроцентной вероятностью", — рассказывает Илья Беседин, инженер лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС".
Затем второй кубит должен провзаимодействовать с первым. Есть два основных способа заставить их "пообщаться". Во-первых, резонансную частоту одного атома изменяют так, чтобы она совпала с частотой другого, после чего возбуждение с одного переходит на другой через электрическое поле. Второй вариант — на систему воздействуют микроволновым излучением, чтобы коэффициент поглощения одного атома зависел от состояния другого. После того как кубиты "пообщались", их состояния считывают.
По сути, в этот момент кубиты превращаются в классические биты с известной информацией. Затем над третьим кубитом проводят логическую операцию, и он оказывается в состоянии первого. Напомним, что первый и третий кубиты никогда не взаимодействовали, если не считать косвенного "общения" через второй кубит. К тому же третий контактировал со вторым до того, как тот обменялся информацией с первым.
Запутались? Тогда представьте, что вы получили пятерку за экзамен и поделились радостью с папой. После чего отправились к маме и рассказали ей то же самое. А она сообщила вам, что поцарапала машину. И после вашего разговора папа неведомым образом узнает об этой неприятности. Квантовую механику понять трудно — лучше просто смириться с ее законами.
С Теорией относительности не поспоришь
С помощью квантовой телепортации можно передать информацию на дальние расстояния. Рекорд пока принадлежит китайским ученым, отправившим данные с Земли на спутник за 1400 километров. Причем сами по себе кубиты обмениваются данными мгновенно, даже быстрее скорости света. Ученые подтвердили это, одновременно измерив состояние двух запутанных кубитов в разных местах. Оказалось, они действительно "чувствуют" изменения друг друга быстрее, чем движется свет.
Чтобы вытащить информацию из кубита, его нужно раскодировать, используя классические биты, скорость передачи которых не может превысить скорость света. Таким образом, хоть квантовый мир и предоставляет невероятные возможности, люди, ввиду своей классической природы, порой просто не могут воспользоваться ими в полной мере.
"Зато квантовая телепортация отлично подойдет для зашифрованной передачи данных. Конечно, информацию можно зашифровать и с помощью классических алгоритмов. Но у такого метода есть слабое место: обмен ключами. При наличии достаточных вычислительных мощностей перехваченную шифровку всегда можно прочитать", — говорит эксперт.
А протоколы на основе квантовой телепортации позволяют математически доказать, что квантовая линия не прослушивается. Как только к ней подключается посторонний, качество передачи квантового состояния значительно ухудшается, вне зависимости от технической оснащенности взломщика. И обе стороны сразу обнаруживают, что их разговор больше не приватный.
Телепорта не будет?
Чтобы поделиться с другом смешным видео, у вас обоих должны быть компьютеры или смартфоны. То же и с телепортацией данных между кубитами: чтобы передать состояние, необходимы кубит-передатчик и кубит-приемник, причем уже расположенный в нужном месте. То есть прежде чем отправить данные, необходимо физически переместить объект, который их примет. А осуществлять такое мы умеем пока только классическим образом: по известной траектории — из точки "А" в точку "Б". И отнюдь не мгновенно.
А что с телепортацией какого-либо материального объекта целиком — к примеру, человека? Ведь в конечном счете материя состоит из атомов, то есть квантовых систем, между которыми возможна передача информации. Для этого придется телепортировать данные обо всех атомах тела на иные атомы, расположенные в другом месте, и тем самым воссоздать человека.
Но для каждого акта передачи необходимо сложное техническое оснащение. В человеке весом около 70 килограммов — 6,7*1027 атомов. Передать информацию обо всех частицах со стопроцентной точностью невероятно сложно — и на данный момент технически неосуществимо. Но все же телепортация материального объекта — задача слишком привлекательная, чтобы от нее отказаться.