Что такое квантовая телепортация и возможно ли ее применить для мгновенного переноса макрообъектов? Не противоречит ли квантовая телепортация принципам релятивистской причинности? О связях классической и квантовой реальности делают выводы профессор Римского университета Луиджи Аккарди и доктор физико-математический наук Игорь Волович.
Л. Аккарди — один из наиболее известных итальянских ученых, создатель квантовой теории вероятностей, руководит рядом европейских научных проектов, включающих, в частности, теоретическое и экспериментальное исследование квантовой телепортации. И. Волович — известный российский ученый, специалист в области математической физики и р-адического анализа, исследовал роль пространственно-временных параметров в описании зацепленных состояний, что привело к новому подходу в телепортации квантовых состояний.
Первые идеи зародились сразу же после работ Планка, Эйнштейна, де Бройля, Бора и других основателей квантовой физики. Существенное развитие эти идеи получили с созданием квантовой механики в представлениях Шредингера и Гейзенберга. Всевозможные мысленные эксперименты, проводимые с квантовыми объектами, зачастую вели к явным парадоксам.
В 1935 году А. Эйнштейн и его сотрудники Б. Подольский и Н. Розен высказали идею, суть которой на примере элементарных частиц сводится к тому, что квантовые объекты, в качестве которых могут быть, например, два связанных фотона, в процессе разделения сохраняют некое подобие информационной связи (эффект «спутывания», «связывания» — entangled). При этом квантовое состояние одного, например поляризация или спин, может мгновенно передаваться на другой фотон, становящийся при этом аналогом первого, который коллапсирует, исчезает. И наоборот. Расстояние между фотонами может быть любым.
Это было названо эффектом, парадоксом, или каналом, Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР). В качестве синонима этого феномена принят также термин квантовая нелокалъностъ (Quantum NonLocality), подчеркивающий мгновенную распределенность, нелокальность в пространстве состояний связанных по квантовым состояниям элементарных частиц.
Стоит подробнее пояснить, что подразумевается под словами зацепленное состояние, о котором пойдет речь ниже. Имеется в виду система, состоящая из двух взаимодействующих подсистем (например, частиц), которая в какой-то момент времени распадается на две невзаимодействующие подсистемы.
Для такого зацепленного состояния значение какой-либо физической величины (например, проекции спина электрона на какую-то ось или поляризации фотона) не определено ни для одной из подсистем. Однако если мы произведем измерение одной из подсистем и определим значение выбранной физической величины, то с достоверностью будем знать значение этой физической величины и для другой подсистемы.
Примером системы, находящейся в зацепленном состоянии, являются два фотона, появившиеся в результате спонтанного параметрического распада фотона, распространяющегося в среде с квадратичной нелинейностью (например, в кристалле ВаВ2О4). Для зацепленных фотонов нельзя указать, какова поляризация каждого из фотонов пары. Если же произвести измерения одного фотона и тем самым определить его поляризацию, то и поляризация другого фотона также станет определенной. Стоит подчеркнуть, что производя измерения одной частицы, мы в тот же момент определяем и состояние другой, как бы далеко эти частицы друг от друга ни находились. Таким образом, связь между частицами носит принципиально нелокальный характер.
С позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некой волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать та же функция. Но состояние каждой отдельной частицы не известно в принципе: это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в приемник, регистрирующий ее параметры, у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными) соответствующие характеристики. То есть возможна мгновенная «пересылка» квантового состояния частицы на неограниченно большое расстояние. Телепортации самой частицы, передачи массы при этом не происходит.
Похожим образом ведет себя разорвавшийся на две части 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.