Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

И все же мы можем воспользоваться запутанностью как основой телепортатора. Оставим спин в стороне и вообще спрячем все квантовые подробности с глаз долой. У Алисы и Боба есть по маленькой электронной коробочке. Каждая коробочка снабжена кнопкой и экранчиком, на котором высвечивается или «Вверх», или «Вниз». Коробочки соединены датчиком, который в данный момент стоит на метке «Наоборот».

Коробочки можно программировать при помощи генератора случайных чисел, который определяет вероятность намерить спин, направленный вверх, однако Бобу и Алисе эта вероятность не известна. Но когда Алиса нажимает кнопку, первоначальная программа стирается и записывается новая, которая всегда дает один и тот же ответ. Сначала нам известно лишь одно: если Алиса нажмет кнопку, на экране появится или «вверх», или «вниз». А если после этого Боб нажмет свою кнопку, то получит противоположный результат.

Как можно при помощи этих устройств переслать программу на третью коробочку? Казалось бы, все тривиально, однако следите за моей мыслью. Предположим, что третья коробочка, назовем ее С, запрограммирована совсем просто. Алиса этого не знает, зато знаем мы: сколько ни нажимай кнопочку на С, она в 100 % случаев выдает «Вверх». А теперь поясню на всякий случай, что С — это та самая программа (частица), которую Алиса хочет телепортировать Бобу.

Затем Алиса соединяет коробочку С со своей коробочкой А. Когда соединение налажено, датчик на кабеле АС показывает «Одинаково». Происходит коллапс волновой функции, а это, очевидно, что-то да меняет в программе коробочки С.

Схема телепортации

Это совсем не так странно, как кажется. Очень многие физические системы позволяют нам сделать измерение комбинации каких-то двух параметров, но не каждого из них в отдельности. Например, два магнита, если держать их параллельно, обладают меньшей энергией, чем если направить их в противоположные стороны. Иногда бывает очень легко определить, что они направлены в противоположные стороны, даже если представления не имеешь, куда направлен каждый в отдельности.

Нам известно, что показания В противоположны показаниям А, а показания А, в свою очередь, совпадают с показаниями С. Если Боб нажмет кнопку, то увидит «Вниз». Это единственный логичный вариант.

Запутанность происходит мгновенно, так что Боб вроде бы получает сигнал быстрее скорости света. Но постойте! Теперь-то Алисе нужно еще взять телефон, позвонить Бобу и сказать ему: «А и С находятся в одинаковом состоянии».

Могло получиться и наоборот. Если бы на датчике появилось «Противоположно» — не забывайте, это совершенно случайный процесс, — то коробочка В противоположна А, а та, в свою очередь, противоположна С. Коробочка Боба — точная копия оригинала Алисы.

Иначе говоря, чтобы разобраться, какую копию оригинала вы отправили, позитив или негатив, нужно измерить частицу С, а потом передать эти сведения своему другу при помощи обычного радиосигнала, который распространяется со скоростью света. Это достаточно очевидно, если коробочки находятся в «чистом» состоянии, но не забывайте, что коробочка С может быть комбинацией «Вверх» и «Вниз». Вышеуказанный пример отражал смесь 80/20. Содержимое коробочки Алисе неизвестно, и если она нажмет кнопку на С, то случайным образом выберет один из двух доступных вариантов и сотрет первоначальную программу. Подобным же образом Боб на другом конце канала связи не должен, по сути дела, измерять свою копию программы. Ему достаточно просто знать, что у него точная копия оригинала.

На практике телепортация гораздо сложнее, чем я тут представил[83]. Мы уже убедились, что во все, что мы пытаемся измерить, вмешиваются всевозможные внешние воздействия и сигнал из-за них декогерирует. Изолирование и измерение состояний отдельных атомов и электронов — дело настолько нелегкое, что двое физиков, которые справились с этой задачей, Серж Арош и Дэвид Уайнленд, в 2012 году получили Нобелевскую премию по физике.

Если вы очень внимательно следили за моей мыслью, то, возможно, отметили побочный эффект телепортации. В конечном итоге получается, что вы так сильно намухлевали с первоначальной частицей, что уничтожили ее состояние. И вовсе не по неосторожности. В начале восьмидесятых несколько исследовательских групп доказали, что как ни старайся сконструировать квантовый телепортатор, оригинал всегда уничтожается. Это называется «теорема о запрете клонирования», а поскольку без нее мне так и мерещатся выскакивающие из телепортаторов близнецы-негодяи, только она и позволяет мне спокойно спать по ночам.

Даже если телепортация не слишком вас интересует, упомяну, что та же линия доказательств сыграет основополагающую роль в новых, только зарождающихся технологиях. Привычные, классические компьютеры для хранения информации применяют биты — нули и единицы, а квантовые компьютеры будут хранить и перерабатывать данные в кубитах при помощи волшебного запутывания. Кубиты — это суперпозиции нулей и единиц, способные с неимоверной быстротой перемножать гигантские числа и раскалывать шифры.

А чтобы вы не думали, будто все это досужий вымысел из области фантастики, имейте в виду, что в 1997 году группа итальянских и английских ученых провели первые успешные испытания устройства для квантовой телепортации и передали фотон на расстояние примерно в 2,5 метра. А совсем недавно, в 2012 году, китайские ученые побили этот рекорд и телепортировали фотоны почти на 100 километров.

Однако воздержитесь от преждевременных восторгов. Во-первых, речь идет об одной-единственной частице. Во-вторых, даже самые лучшие квантовые телепортаторы надежны лишь на 89 %. Неужели вам хочется попасть в те 11 %, которые гибнут по пути?

С фундаментальной точки зрения, телепортировать автомобиль или человека можно точно так же. Квантовое состояние человека или даже молекулы просто в чудовищное количество раз сложнее состояния фотона, поскольку приходится передать количество информации, возрастающее в геометрической прогрессии. Пересылка человека — это просто запредельно сложно. Ну, почти.

Неужели никто ничего не заметит?

Самое интересное в телепортации — то, что она выводит на передний план вопрос о том, что же это такое, когда два предмета — это «одно и то же». Как-никак эта книга о симметрии.

Электроны и правда идентичны друг другу, как и протоны, нейтроны и любые другие частицы какого-нибудь одного типа. Вдумайтесь, к чему это приводит в контексте радиоактивности. Космические лучи, попадая в нашу атмосферу, непрерывно создают вещество под названием углерод‑14. Наверное, вы о нем слышали. Углерод‑14 очень знаменит, поскольку с его помощью можно определять возраст плащаниц, старинных книг и тому подобного. Вот если бы Индиана Джонс был настоящий археолог, а не гробокопатель, он бы тоже использовал анализ на основе углерода‑14.

Как правило, углерод‑14 ведет себя точно так же, как и обычный углерод. Растения поглощают его, когда дышат. Мы едим растения, и углерод становится частью нас. Муфаса глядит на нас с одобрением.

Однако углерод‑14 не вполне стабилен: проходит в среднем примерно 6000 лет, и он распадается на азот и несколько частиц, которые нас не особенно интересуют. Когда я говорю «в среднем», то имею в виду, что распад углерода‑14 совершенно случаен, и если бы у меня был большой его кусок, то примерно через 6000 лет половина атомов из этого куска распалась бы, а вторая половина осталась бы без изменений. Если помните, это и есть определение периода полураспада.

Представьте себе, что прошло 5999 лет, а какой-то атом углерода‑14 еще не распался, и мы сравниваем его с новеньким атомом, который только что возник в атмосфере. Как вы считаете, который из них распадется первым? Интуитивно кажется, будто тот, который старше, распадется скорее, что ему давно пора. А почему, собственно? Магия симметрии замещения тождественных частиц в том и состоит, что на первом атоме не стоит даты изготовления и срока годности и невозможно определить, что он существует уже какое-то время.

Можно сделать и следующий шаг. Предположим, за долгие тысячелетия, пока я сидел и ждал, когда же распадутся отдельные атомы углерода‑14, я несколько заскучал. А пока я отвлекся, прибежал лукавый чертенок, то есть вы, и поменял местами два атома — один только что созданный, а другой в возрасте почти шести тысяч лет.

Мы уже разобрались, что ни к чему очевидному в случае атомов такая подмена не приведет. Мы не знали, какой из атомов распадется первым, до того, как вы поменяли их местами, и до сих пор не знаем. Но не это главное: даже если вы продумали подмену досконально и проследили, чтобы и состояния атомов в точности совпадали, и если замещение частиц — это абсолютная симметрия вселенной (так и есть), значит, не существует никакого физического механизма, который позволил бы мне обнаружить подмену.