Телепортацията вече не е просто научна фантастика – поне на квантово ниво

Преди 60 години „Стар Трек“ представи една от най-емблематичните научнофантастични технологии: транспортера, машина, способна да пренася човек от едно място на друго за миг. Замислен първоначално като бюджетно решение, за да се избегнат скъпите сцени с кацащи космически кораби, транспортерът, който можеше да телепортира героите от и до Ентърпрайз, се превърна в отличителен белег на поредицата.

В „Стар Трек“ транспортерът преобразува материята в енергиен поток, изпраща го до желаната дестинация и там отново го възстановява, атом по атом. Макар сериалът да не е първото художествено произведение, което въвежда телепортацията, именно неговата версия завладява въображението на публиката, раждайки трайни културни мемове и безброй технологични вдъхновения.

И след това телепортацията стана реалност.

Преди повече от 30 години група физици търсят име за радикално нова идея: как да прехвърлят квантовите състояния на атоми или субатомни частици към други, отдалечени частици, без между тях да има физически контакт. Квантовото състояние е математическо описание на частица – например енергийното ниво на електрон или поляризацията на фотон.

Вдъхновени от научната фантастика, учените наричат явлението „квантова телепортация“. Оттогава концепцията преминава от теория към доказан експериментален факт. Първите опити в края на 90-те години показват, че квантови състояния могат да се предават на малки разстояния. По-късни изследвания значително увеличават мащаба. През 2017 г. китайски учени демонстрират телепортиране на квантова информация до и от ниска околоземна орбита. Те разчитат на квантовото заплитане, природно явление, при което частици могат да останат свързани независимо от разстоянието между тях.

Важно е да се отбележи, че квантовата телепортация е съвсем различна от телепортирането на материя, познато от художествените произведения. Тя прехвърля квантова информация, без никакво физическо преместване на материя. И макар експертите да са категорични, че това няма да доведе до телепортиране в стил „Стар Трек“, методът може да проправи пътя към ново поколение изчислителни технологии. Това би могло да промени коренно знанията ни за субатомния свят – и в по-широк план, за цялата Вселена.

„В основата си природата е квантова“, казва Джейсън Оркът, главен изследовател в IBM Quantum. „Вие самите сте квантова информация.“

В нашето ежедневие обектите изглежда се подчиняват на добре познатите правила на класическата физика. Но ако се смалим до нивото на атоми и субатомни частици, действат напълно различни, често неинтуитивни закони. Това е светът на квантовата физика, където частиците могат да съществуват в множество състояния едновременно и да бъдат свързани на огромни разстояния.

Голяма част от този свят не може да бъде описана от обикновените компютри. Докато класическите компютри работят с битове, кодирани като 0 или 1, квантовите системи използват кюбити (или квантов бит), чиито състояния могат да бъдат много по-сложни.

Докато битовете представляват само 0 или 1, кюбитовете могат да смесват нула и единица в квантово състояние, докато не бъдат измерени – феномен, известен като суперпозиция. Кюбитовете могат също да се заплитат с други кюбитове, така че измерването на един моментално влияе върху начина, по който ще бъде измерен друг. Резултатът е сложна форма на информация, която е в основата на силата на квантовите изчисления.

„Има много проблеми, които класическите компютри просто няма да могат да решат“, казва Оркът. Един ден квантовите машини може да симулират молекули и химични реакции с невиждана точност, което би могло да доведе до по-ефективни производствени процеси, по-добри методи за създаване на синтетичен азот за земеделието и напълно нови материали.

Търговски квантови компютри вече съществуват, но техните възможности са ограничени. За да изградим по-големи и по-надеждни системи, които коригират грешки и изпълняват дълги изчисления, трябва да намерим ефективни начини за прехвърляне на квантова информация. Но има един проблем: Когато измерите квантово състояние, вие го променяте. „Не можете да клонирате квантова информация“, обяснява Симоне Порталупи, изследовател в областта на квантовите комуникации и член на QR.N, програма за разширяване на обхвата на квантовия пренос на данни.

Необходими са нови начини за споделяне на квантова информация и тук се намесва квантовата телепортация. Като протокол за прехвърляне на квантови състояния от едно място на друго, без физическо преместване на материя, телепортацията може да се превърне в стандартен метод за комуникация между квантови системи. Това би позволило свързването на отдалечени квантови компютри и един ден до изграждането на квантов интернет.

Квантовото заплитане е природен феномен, но учените могат и изкуствено да създават заплетени частици. Щом две квантови системи бъдат заплетени, техните състояния остават взаимно свързани, независимо колко далеч се намират една от друга. Именно това прави заплитането основа за прехвърляне на информация.

Класическият пример как работи това включва двама изследователи, Алис и Боб, които споделят заплетена двойка частици. Алис иска да изпрати нова информация на Боб. Тя подготвя кюбит, съдържащ тази информация, и след това едновременно измерва кюбита с данни и своята половина от заплетената двойка. Това измерване, известно като Белово измерване, поставя информационния кюбит в състояние на заплитане с другите два и разкрива кое от четирите възможни общи състояния споделят кюбитите на Алис. Едновременно с това унищожава оригиналното квантово състояние на информационния кюбит.

Резултатът от измерването представлява класическа информация, нули и единици, която Алис може да изпрати на Боб по традиционен комуникационен канал.

Тази „класическа“ стъпка е съществена, казва Даниел Облак, специалист по квантова информация от Университета в Калгари. Той я сравнява с инструкции за правилното отваряне на кутия с декоративни снежни глобуси: „За да изглежда като истински снежен глобус, трябва да го обърнете така, че да е с правилната страна нагоре“, казва той.

Резултатите на Алис дават на Боб указания каква квантова операция да приложи към своята половина от заплетената двойка и така той „отваря кутията“. В крайна сметка кюбитът на Боб се оказва в точно същото състояние като оригиналния кюбит на Алис. Информацията е успешно прехвърлена.

Първото теоретично описание на квантовата телепортация се появява през 1993 г., а скоро след това започват и експериментални демонстрации. До второто десетилетие на XXI век, учените вече умеят да телепортират различни типове квантови състояния, включително състояния на свръхпроводящи вериги. Освен това е доказано, че квантови състояния могат да бъдат прехвърляни между градове и дори между Земята и Космоса.

Днес, казва Оркът, сферата преминава „от науката към инженерството“, което е необходима стъпка за свързване и мащабиране на бъдещите квантови компютри.

Въпреки че квантовата телепортация вероятно ще бъде ключова за развитието на квантовите технологии, експертите са категорични, че тя няма да доведе до телепортиращ уред в стил „Стар Трек“.

„Сравнението със Стар Трек е подвеждащо“, казва Тим Стробел, изследовател на квантовите комуникации от проекта QR.N. „Ние телепортираме квантови състояния, а не материя, нито енергия.“

Според Облак, за да бъде телепортиран човек, би било нужно да се прехвърли цялата квантова информация за всеки атом и всяка частица в тялото му. Освен това на мястото на получаване трябва да има готов цяла купчина от атоми, които да бъдат подредени в абсолютно същата структура. „Много е далеч от представата това някога да стане възможно“, казва той.

Остава и философският въпрос: Ако оригиналното квантово състояние трябва да бъде унищожено, човекът, който се материализира от нищото на другото място, същият човек ли е всъщност или е ново копие?

Теоремата за „без клониране" в квантовата механика гласи, че е невъзможно да се създаде идентично, независимо копие на неизвестно квантово състояние. Квантовата телепортация заобикаля проблема, защото при нея оригиналното квантово състояние първо се измерва и в този процес се унищожава, така че телепортираната версия е може би „същата“, а не копие.

Ако се окаже, че това, което ви прави това, което сте – вашите спомени, личност и самосъзнание – се свеждат единствено до квантова информация, тогава може би бихте могли да се телепортирате на ново място. Но ако това не е така, може би просто се самоубивате, за да може вашият клонинг да продължи да живее другаде.

„Всичко това е чиста спекулация“, казва Оркът. „Поне засега въпросът дали е възможно да се телепортира човек или дори един-единствен атом остава изцяло в сферата на научната фантастика.“