Телепортація, або здатність миттєво переміщати людей і предмети з одного місця в інше, - це вміння, яке може змінити напрямок розвитку цивілізації і вплинути на долі країн та народів. Так, телепортація раз і назавжди змінила б принципи і правила ведення війни: володіючи цим мистецтвом, воєначальники могли б миттєво закидати війська в тил противника або просто переміщувати вороже керівництво в зручне місце і захопити його. Транспортна система сьогоднішнього дня - автомобілі, кораблі, літаки і залізні дороги разом з обслуговуючими їх численними галузями промисловості - відразу застаріли би; ми могли б просто переміщуватися з дому на роботу і миттєво перекидати вантажі і товари в потрібне місце. Відпустки перестали б бути проблемою - ми легко телепортувались б прямо до місця відпочинку, Телепортація змінила б усі.

Найбільш ранні згадки про телепортації можна виявити[7] в релігійних текстах, наприклад в Біблії, де духи то і справа переносять людей з місця на місце. Наприклад, це місце з Діянь апостолів Нового Завіту передбачає, по всій видимості, телепортацію Філіпа з Гази у Азот.

«Коли ж вони вийшли з води, Дух Святий зійшов на євнуха, а Пилипа забрав Ангел Господній, і скопець не бачив його і продовжував шлях, радіючи. А Пилип опинився в Азоті, і, переходячи, звіщав євангелію всім містам, аж поки прийшов у Кесарію» (Діяння 8:39-40).

Телепортація - серед інших трюків та ілюзій - входить в репертуар будь-якого мага: кроликів з капелюха, карти із рукава, монети з-за вуха нічого не підозрює глядача. Один з найбільш вражаючих трюків недавнього часу - зникнення слона на очах здивованої аудиторії. Виглядає це наступним чином. Гігантського слона вагою в кілька тонн поміщають в клітку. Помах чарівної палички - і слон зникає, до чималого подиву публіки. (Звичайно, насправді слон нікуди не дівається. Трюк здійснюється за допомогою дзеркал. Клітка, в яку поміщають слона, не проста. Позаду кожного пруту є дзеркало - довге вузьке вертикальне дзеркало. Кожне з цих дзеркал може повертатися навколо вертикальної осі. На початку, коли дзеркала розгорнуті поперек і як би заховані за прутами клітки, глядачам їх не видно, зате видно слона в клітці. Зате коли дзеркала по команді ілюзіоніста повертаються і встають під кутом 45° до аудиторії, здивованим глядачам залишається тільки вдивлятися в відбите зображення бічної стінки клітини, за якою немає ніякого слона.)
Телепортація і наукова фантастика

Перша згадка про телепортації в науково-фантастичному творі ми знаходимо в оповіданні Едварда Пейджа Мітчелла «Людина без тіла», опублікованому в 1877 р. В цьому оповіданні якийсь вчений відкрив спосіб розібрати кішку на атоми я передати їх по телеграфних проводах. До нещастя, в той момент, коли вчений намагався переміщуватися сам, припинилося електроживлення. В результаті успішно телепортировалась тільки його голова.

Сер Артур Конан Дойл, творець знаменитого Шерлока Холмса[8], був буквально зачарований ідеєю телепортації. Написавши велику кількість детективних оповідань і романів про пригоди Шерлока Холмса, він втомився від свого героя і зрештою вбив його, змусивши разом з професором Моріарті впасти в ущелині біля Рейхенбахського водоспаду. Але обурення читачів виявилося настільки велике, що Дойлу довелося воскресити сищика. Опинившись не в змозі позбутися від Шерлока Холмса, Дойл замість цього вирішив створити абсолютно нового героя. Ним став професор Челленджер, практично двійник Холмса. Обидва героя володіли гострим розумом і спостережливістю і любили розгадувати загадки. Але якщо Холмс розкривав заплутані кримінальні справи за допомогою холодної дедуктивної логіки, то професор Челленджер досліджував темний світ спіритуалізму і паранормальних явищ, включаючи і телепортацію.

У романі «Дезинтеграционная машина», опублікованій у 1927 р., професор знайомиться з винахідником машини, здатної розібрати людину, а потім зібрати його знову де-небудь в іншому місці. Але потім винахідник хвалькувато заявляє, що у поганих руках його машина може по натисненню кнопки знищувати цілі міста з мільйонами жителів. Професор Челленджер в жаху. Роман закінчується тим, що він за допомогою машини розбирає винахідника і залишає лабораторію, «забувши» зібрати її заново.

Трохи пізніше телепортацію відкрив для себе і Голлівуд. Вийшов у 1958 р. фільм «Муха» наочно демонструє, що може статися, якщо процес телепортації піде неправильно. Якийсь вчений успішно переміщує себе в межах кімнати, але нещасної випадковості його атоми перемішуються з атомами мухи, випадково потрапила в телепортационную лабораторію. У результаті вчений перетворюється в гротескне чудовисько - напівлюдини, полумуху. (У 1986 р. на екрани вийшов рімейк цього фільму з Джеффом Голдблюмом у головній ролі.)

Серіал «Зоряний шлях» зробив телепортацію помітним явищем масової культури. Його творець Джин Родденбері змушений був ввести телепортацію в сюжет, оскільки бюджет студії Paramount не передбачав дорогих спецефектів, пов'язаних з імітацією старту і посадки ракетних кораблів на Землі і віддалених планетах. Дешевше було просто передати екіпаж «Ентерпрайза» до місця призначення отримаю.

За минулі десятиліття учені встигли висловити безліч аргументів на користь того, що телепортація в принципі неможлива. Щоб телепортувати людини, ви повинні знати точне розташування кожного атома в живому тілі - а це, ймовірно, порушило б принцип невизначеності Гейзенберга (який стверджує, що неможливо одночасно знати точне положення та швидкість електрона). Продюсери «Зоряного шляху», схиляючись перед критиками, встановили в телепортационной камері «компенсатори Гейзенберга» - можна подумати, що закони квантової фізики можна було б виправити за допомогою якого б то не було додаткового блоку в пристрої телепорту! Але виявляється, творці фільму взагалі поквапилися з введенням «компенсаторів Гейзенберга». Можливо, вчені та критики минулих років все ж помилялися.
Телепортація і квантова теорія

В рамках теорії Ньютона телепортація відверто неможлива. Закони Ньютона базуються на уявленні про те, що речовина складається з крихітних твердих більярдних кульок. Об'єкти не приходять в рух, якщо їх не штовхнути; об'єкти не зникають раптово і не з'являються заново в іншому місці.

Але в теорії квантової частинки здатні проробляти саме такі фокуси. Закони Ньютона протрималися при владі 250 років і були повалені в 1925 р., коли Вернер Гейзенберг, Ервін Шредінгер і їх колеги розробили квантову теорію. Аналізуючи дивні властивості атомів, фізики виявили, що електрон поводить себе як хвиля і в уявній хаотичності свого руху всередині атома може здійснювати квантові стрибки.

Тісніше всього з поданням про квантових хвилях пов'язаний віденський фізик Ервін Шредінгер, творець знаменитого хвильового рівняння, названого його ім'ям, - одного з найважливіших рівнянь фізики і хімії. Цілі інститутські курси присвячені вирішенню цього знаменитого рівняння; цілі стіни фізичних бібліотек зайняті книгами, в яких докладно досліджуються його глибокі слідства. В принципі вся сума знань по хімії може бути зведена до рішень цього рівняння.

У 1905 р. Ейнштейн показав, що світлові хвилі можуть вести себе на зразок частинок; це означає, що вони MOiyr бути описані як пакети енергії, відомі під назвою фотонів. Але приблизно до 1920 р. Шредингеру стало очевидно, що зворотне теж вірно: частинки, наприклад електрони, можуть вести себе подібно хвилям. Цю ідею першим висловив французький фізик Луї де Бройль, удостоєний за цю гіпотезу Нобелівської премії. (Ми в університеті наочно демонструємо це студентам. Для цього ми выстреливаем електронами в катодну променеву трубку, точнісінько таку, як у телевізорі. Електрони проходять через крихітний отвір, так що на екрані начебто повинна з'явитися маленька світла крапка. Замість цього ви виявите там концентричні хвилеподібні кола - точно такі, які можна очікувати при проходженні через отвір хвилі, а не частки.)

Як-то Шредінгер читав лекцію про це цікавий феномен. Один із присутніх у залі колег-фізиків Петер Дебай задав питання: «Якщо електрон можна описати як хвилю; то як виглядає його хвильове рівняння?»

З тих пір як Ньютона створив диференціальне числення, фізики описували будь-яку хвилю мовою диференціальних рівнянь, тому Шредінгер сприйняв питання Дебая як виклик і вирішив написати диференціальне рівняння для електронної хвилі. У тому ж місяці Шредінгер пішов у відпустку, а повернувся вже з готовим рівнянням. Як Максвелл у свій час взяв Фарадея фізичні поля і вивів рівняння Максвелла для світла, Шредінгер взяв частку-хвилі де Бройля і вивів рівняння Шредінгера для електронів.

(Історики науки витратили чимало зусиль, намагаючись з'ясувати в точності, де був і чим займався Шредінгер, коли відкрив своє знамените рівняння, назавжди змінило сучасну фізику і хімію. Виявилося, що Шредінгер був прихильником вільної любові і на відпочинок часто їздив з дружиною і коханками. Він також вів докладний щоденник, в який заносив всіх своїх численних коханок і складним шифром позначав кожну зустріч. В даний час вважається, що ті вихідні, коли було відкрито рівняння, Шредінгер провів в Альпах, на віллі «Хервиг», з однією зі своїх подружок.)

Почавши вирішувати своє рівняння для атома водню, Шредінгер, на великий свій подив, виявив, що енергетичні рівні електронів вже до нього були точно встановлені й опубліковані іншими фізиками. Після цього він зрозумів, що стара модель атома, належить Нільса Бору, - та сама, де електрони носяться навколо ядра і яку досі малюють у книжках і рекламних проспектах як символ сучасної науки - насправді невірна. Кругові орбіти електронів навколо ядра атома необхідно замінити хвилями.

Можна сказати, що робота Шредінгера струснула фізична співтовариство і, подібно до кинутого каменю, теж породила блукаючі хвилі. Фізики раптом виявили, що можуть заглянути безпосередньо у атом, детально дослідити хвилі, з яких складаються його електронні оболонки, і точно передбачити їх енергетичні рівні.

Але залишався ще одне питання, яке не дає фізикам спокою навіть сьогодні. Якщо електрон описується як хвиля, то що ж в ньому коливається? Відповідь на це питання дав фізик Макс Борн; він сказав, що ці хвилі являють собою не що інше, як хвилі ймовірності. Вони повідомляють лише про те, з якою ймовірністю ви виявите конкретний електрон в певний час у певній точці. Іншими словами, електрон - це частинка, але ймовірність знайти цю частку задається хвилею Шредінгера. І чим вище хвиля, тим більше шансів виявити частку саме в цій точці.

Виходить, що раптово у самому серці фізики - науки, яка раніше давала нам точні передбачення і докладні траєкторії будь-яких об'єктів, починаючи з планет і комет і закінчуючи гарматними ядрами, - виявилися поняття шансу і ймовірності.

Гейзенберг зумів формалізувати цей факт, запропонувавши принцип невизначеності[9] - постулат про те, що неможливо знати точну швидкість і точне положення електрона в один і той же момент. Неможливо точно визначити і його енергію в заданий проміжок часу. На квантовому рівні порушуються всі фундаментальні закони здорового глузду: електрони можуть зникати і знову виникати в іншому місці, а також перебувати одночасно в декількох місцях.

(За іронією долі і Ейнштейн, хрещений батько квантової теорії, який брав участь у революційних перетвореннях 1905 р., і Шредінгер, автор хвильового рівняння, прийшли в жах від появи випадкових процесів у фундаментальної фізики. Ейнштейн писав: «Квантова механіка викликає величезну повагу. Але внутрішній голос підказує мені, що це не те, що потрібно. Ця теорія пояснює багато, але чи наближає нас хоч скільки-то до таємниці Бога. Принаймні про себе можу сказати точно: я переконаний, що Він не грає в кості».)

Теорія Гейзенберга була революційною і суперечливою, але працювала. З її допомогою фізикам вдалося одним махом пояснити величезну кількість загадкових явищ, включаючи закони хімії. Пояснюючи своїм аспірантам дивина і примхливість квантової теорії, я інколи прошу їх розрахувати ймовірність того, що атоми їхніх тіл раптом розбіжаться і зберуться заново по іншу сторону цегляної стіни. Така телепортація заборонена в ньютонівської фізики, але ніяк не суперечить законам квантової механіки. Відповідь, однак, полягає в тому, що такої події довелося б чекати до кінця життя всесвіту і навіть довше. (Якщо б ви за допомогою комп'ютера побудували графік шредингеровой хвильової функції для власного тіла, то з'ясувалося, що вона дуже сильно нагадує саме тіло, але виглядає як би трохи кудлатою, так як деякі з ваших хвиль розповзаються за його межі в усіх напрямках. Деякі з них досягають навіть віддалених зірок. Тому існує все ж крихітна ймовірність того, що одного разу ви раптом прокинетеся на далекій чужій планеті.)

Той факт, що електрони, мабуть, можуть перебувати у багатьох місцях одночасно, становить фундамент всієї хімії. Ми думаємо, що електрони обертаються навколо ядра атома, як тіла мініатюрної Сонячної системи. Але між атомом і Сонячною системою є принципові відмінності. При зіткненні в космосі двох Сонячних систем вони неминуче розваляться, планети при цьому відкине в різних напрямках. Атоми ж, стикаючись, часто діляться один з одним електронами і утворюють цілком стабільні молекули. У старших класах школи вчитель часто говорить учням про «розмазаний електрон», що нагадує довгастий м'яч для регбі; він з'єднує два атома між собою.

Але ось про що вчителі хімії майже ніколи не розповідають учням. Електрон, про який йде мова, зовсім не «розмазаний» між двома атомами. Насправді цей «м'яч для регбі» є ймовірність того, що електрон знаходиться одночасно в безлічі місць усередині цього обсягу. Іншими словами, вся хімія, вивчає і пояснює будову молекул, з яких складаються наші тіла, заснована на уявленні про те, що електрони можуть перебувати одночасно в декількох місцях; саме таке «спільне володіння» електронами, які примудряються одночасно належати двом атомам, утримує на місці атоми в молекулах нашого тіла. Без квантової теорії наші молекули і атоми розпалися в мить ока.

Цим химерним, але принциповим властивістю квантової теорії (тим фактом, що існує ненульова ймовірність навіть самих дивних подій) скористався Дуглас Адамс у своєму веселому романі «Автостопом по галактиці». Автору потрібен був зручний спосіб носитися по всій галактиці, тому він придумав «двигун нескінченної неймовірності», «чудовий новий спосіб подолання величезних міжзоряних відстаней за ничтожнейшую частку секунди без нудного блукання в гиперпространстве». Його машина дозволяє довільно змінювати ймовірність будь-якого квантового події, так що навіть надзвичайно малоймовірні події стають звичайними і звичними. Загалом, якщо хочете відправитися в найближчу зоряну систему, потрібно просто змінити ймовірність вашої рематеріалізаціі саме там,' і все! Справу зроблено! Ви миттєво телепортуєтесь в потрібне місце.

Насправді квантові «стрибки», настільки звичайні всередині атома, неможливо легко перенести на великі об'єкти на зразок людей, що складаються з трильйонів і трильйонів атомів. Навіть якщо електрони в нашому тілі стрибають і стрибають з місця на місце в своєму фантастичному подорожі навколо ядра, їх так багато, що стрибки усереднюються і згладжуються. Саме тому, говорячи спрощено, на нашому рівні речовини представляються твердими і незмінними.

Отже, хоча на атомному рівні телепортація дозволена, щоб дочекатися такого дивного події на макроскопічному рівні, доведеться чекати до загибелі нашого Всесвіту і навіть довше. Але можна скористатися законами квантової теорії і створити машину для телепортації об'єктів на вимогу, як відбувається в науково-фантастичних творах? Як не дивно, відповідь однозначна: так, можна.
Експеримент ЕПР

Ключ до квантової телепортації криється в знаменитій роботі 1935 р. Альберта Ейнштейна і його колег Бориса Подольського і Натана Розена. За іронією долі троє вчених ставили своєю метою раз і назавжди покінчити з присутністю ймовірності у фізиці, запропонувавши з цією метою уявний експеримент, що дістав назву експеримент ЕПР за першими літерами прізвищ авторів. (Нарікаючи з приводу безспірного експериментального успіху квантової теорії, Ейнштейн писав: «Чим більший успіх має квантова теорія, тим дурніший вона виглядає».)

Якщо два електрони спочатку коливаються в унісон (такий стан називається когерентним), то вони здатні зберегти хвильову синхронізацію навіть на великій відстані один від одного. Навіть якщо ці електрони виявляться розділені світловими роками, невидима шредингерова хвиля все одно буде зв'язувати їх між собою подібно пуповині. Якщо з одним з електронів щось станеться, то якась частина інформації про цю подію буде негайно передана другому. Це явище називається квантовою заплутаністю і базується на концепції про те, що когерентні частинки володіють якоюсь глибинною зв'язком.

Візьмемо (подумки, зрозуміло) два когерентних електрона; раз вони когерентны, значить, коливаються в унісон, Потім дозволимо цим електронам розлетітися в протилежних напрямках. Кожен електрон подібний вертящемуся вовчка, причому його обертання (спін) може бути направлений вгору або вниз. Нехай повний спін системи дорівнює нулю, так що якщо відомо, що спін одного електрона спрямований вгору, то спін іншого точно спрямований вниз. Згідно квантової теорії перед вимірюванням спін електрона не направлений ні вгору, ні вниз; електрон знаходиться в невизначеному стані, він як би обертається вгору і вниз одночасно. (Варто вам зробити спостереження, як хвильова функція «схлопывается», залишаючи частку в одному конкретному стані з усіх можливих.)

Далі виміряємо спін одного електрона. Скажімо, він обертається вгору. Значить, ми миттєво дізнаємося, що інший електрон обертається вниз. Навіть якщо електрони розподілені в просторі багатьма світловими роками, ми будемо миттєво знати спін другого з них, як тільки виміряємо спін першого. Мало того, ми отримаємо цю інформацію швидше, ніж зі швидкістю світла! Оскільки два наші електрона «заплутані», тобто їх хвильові функції коливаються в унісон, ці хвильові функції пов'язані невидимою «ниткою» або пуповиною. Все, що відбувається з однією часткою, автоматично відображається на інший. (У якомусь сенсі це означає, що все, що відбувається з нами, автоматично та миттєво впливає на події, що відбуваються у віддалених куточках всесвіту, адже наші хвильові функції, ймовірно, «заплутані» ще з початку часів. У якомусь сенсі можна сказати, що існує павутина «заплутаності», яка пов'язує віддалені куточки всесвіту, включаючи і нас з вами.) Ейнштейн іронічно називав це явище примарним дальнодействием і «доводив», що квантова теорія невірна, оскільки ніщо не може переноситися з місця на місце швидше, ніж зі швидкістю світла.

Спочатку Ейнштейн вважав уявний експеримент ЕПР похоронним дзвоном по квантовій теорії. Але у 1980-х рр. Алан Аспект з колегами провів у Франції реальний експеримент з двома детекторами, розташованими на відстані 13 м один від одного. Він вимірював спини фотонів, що випускаються атомами кальцію, і отримані результати в точності збігаються з положеннями квантової теорії. Очевидно, Господь все ж грає в кості з нашого Всесвіту.

Дійсно інформація в цьому випадку передається швидше, ніж зі швидкістю світла? Невже Ейнштейн помилився і швидкість світла є граничною швидкістю нашого Всесвіту? Насправді все відбувається не зовсім так. Так, інформація дійсно передається швидше світла, але інформація ця випадкова, а тому марна. Методом, описаним в експерименті ЕПР, неможливо передати справжнє послання, скажімо, азбукою Морзе, з якою б швидкістю не передавалася інформація.

Знання про те, що якийсь електрон на іншому кінці всесвіту обертається вниз, марно. Цим методом неможливо передати свіжу інформацію про біржових котируваннях. Наведемо наочний приклад. Припустимо, що один з наших приятелів завжди носить різнокольорові шкарпетки, червоний і зелений, не звертаючи уваги на те, який колір виявиться на якій нозі. Скажімо, ми оглядаємо одну ногу і з'ясовуємо, що на ній червоний носок. Значить, ми дізнаємося швидше, ніж зі швидкістю світла, що на іншій нозі зелений носок. Інформація дійсно дійшла до нас швидше світла, але вона абсолютно даремна. Цим методом неможливо передати сигнал, який містив би невипадкову інформацію.

Багато років експеримент ЕПР приводили як яскравий приклад торжества квантової теорії, але торжество виходило безплідним і не давало ніякої практичної користі. До недавнього часу.
Квантова телепортація

Все змінилося в 1993 р., коли вчені з IBM[10] під керівництвом Чарльза Беннетта продемонстрували всім принципову можливість переміщувати з використанням експерименту ЕПР матеріальні об'єкти, принаймні на атомному рівні. (Точніше кажучи, вони продемонстрували можливість передачі повної інформації про частці.) За минулі роки фізики навчилися передавати фотони і навіть цілі атоми цезію. Можливо, через кілька десятиліть вчені зможуть телепортувати першу молекулу ДНК і перший вірус.

Квантоваятелепортация використовує одну з найбільш химерних особливостей експерименту ЕПР. У своїх експериментах фізики починають з того, що беруть два атома, А і С. Припустимо, ми хочемо переміщувати інформацію від атому А до атому С. Для цього ми вводимо третій атом, заплутаний з атомом С (тобто і З когерентны). Потім атом А вступає в контакт з атомом та «сканує» його таким чином, що інформаційний зміст атома А передається атому Ст. В ході цього процесу атоми А і В заплутуються. Але оскільки спочатку був заплутаний з атомом, тепер інформація, що містилася в А, передається також і в атом С. Результат такий: атом А був телепортований атом С, тобто тепер інформаційний зміст А ідентично інформаційного змісту С.

Зверніть увагу на те, що інформація, що містилася перед початком експерименту в атомі А, була знищена (тобто після експерименту ми не отримуємо двох ідентичних копій). Це означає, що якщо уявити собі телепортацію людини, то людина цей повинен буде померти в процесі передачі. Але зате інформаційний зміст його тіла з'явиться десь в іншому місці. Зверніть увагу також на те, що атом А як такий не перемістився на позицію атома С. Навпаки, отримав від А тільки інформацію, яка в ньому містилася, наприклад характеристики спина і поляризації. (Це не означає, що атом А був розібраний і перенесений на інше місце. Це означає, що інформаційний зміст атома А було передано іншому атому - С.)

Після першого оголошення про прорив між різними групами вчених почався шалений змагання. Перша історична демонстрація, в ході якої здійснювалася телепортації фотонів ультрафіолетового світла, що відбулася у 1997 р. в Університеті Інсбрука. Через рік експериментатори з Каліфорнійського технологічного інституту провели ще більш точний експеримент з телепортації фотонів.

У 2004 р. фізики Віденського університету зуміли телепортувати частинки світла на відстань 600 м під річкою Дунай по оптоволоконному кабелю, встановивши таким чином новий рекорд. (Сам кабель мав довжину 800 м і був протягнутий під Дунаєм нижче системи міської каналізації. Передавач розташовувався на одному березі річки, приймач - на іншому.)

Одне із заперечень, які висувають критики цих експериментів полягає в тому, що вчені працюють з частинками світла, фотони. Поки результат «не тягне» на наукову фантастику. Тому дуже важливим став інший експеримент 2004 р., коли квантову телепортацію вдалося продемонструвати вже не на фотонах, а на цих атомах. Це крок у потрібному напрямку, до створення реального телепортационного пристрою. Фізики з Національного інституту стандартів і технології у Вашингтоні зуміли «заплутати» три атома берилію і передати властивості одного атома до іншого. Досягнення було настільки значним, що потрапило на обкладинку журналу Nature. Інша група також домоглася успіху, але вже з атомами кальцію.

У 2006 р. відбулася ще одна значна подія: вперше в подібних експериментах був задіяний макроскопічний об'єкт. Фізики з Інституту Нільса Бора в Копенгагені та Інституту Макса Планка в Німеччині зуміли заплутати промінь світла і газ, що складається з атомів цезію; у цій події брали участь багато трильйонів атомів. Після цього вони закодували інформацію, що міститься в лазерних спалахах, і переміщували її атомів цезію через відстань приблизно в півметра. Як пояснив один з дослідників Євген Ползик, вперше була проведена квантова телепортація «між світлом - носієм інформації - і атомами».
Телепортація без заплутування

Дослідження в області телепортації стрімко набирають хід. У 2007 р. було зроблено ще одне важливе відкриття. Фізики запропонували метод телепортації, не вимагає заплутування. Згадаймо, що заплутування являє собою найбільш складний момент квантової телепортації. Рішення цієї проблеми могло б відкрити перед телепортацією нові горизонти.

«Мова йде про лучі з приблизно 5000 частинок, який зникає в одному місці і з'являється в іншому», - каже фізик Астон Бредлі з Центру квантової атомної оптики в Брісбені при Австралійському раді за дослідженнями - один з учасників розробки нового методу телепортації.

«Ми вважаємо, що за духом наша схема ближче до первісної фантастичної концепції», - заявляє він. Суть підходу групи Бредлі у тому, що вчені беруть пучок атомів рубідію, перекладають всю інформацію в промінь світла, посилають цей промінь по оптоволоконному кабелю, а потім відтворюють первинний пучок атомів в іншому місці. Якщо заявлені результати підтвердяться, то буде усунута головна перешкода до реальної телепортації і відкриті абсолютно нові шляхи передачі на відстань все більш великих об'єктів.

Щоб новий метод не плутали з квантової телепортацією, доктор Бредлі назвав його класичної телепортацією. (Назва це частково вводить в оману, тому що його метод спирається на квантову теорію, але не на заплутування.)

Ключовим моментом цього нового типу телепортації є відкрите нещодавно новий стан речовини, відоме як «конденсат Бозе-Ейнштейна», або КБЭ, яке являє собою одну із самих холодних субстанцій у всій Всесвіту.

В природі найнижчу температуру можна виявити у відкритому космосі; вона складає 3, тобто на три градуси вище абсолютного нуля. (Це завдяки залишкової теплоти Великого вибуху, яка досі заповнює Всесвіт.) Але КБЭ існує при температурі від однієї мільйонної до однієї мільярдної градуса вище абсолютного нуля; таку температуру можна отримати тільки в лабораторії.

При охолодженні деяких форм речовини майже до абсолютного нуля їх атоми (всі без винятку) звалюються на найнижчий енергетичний рівень і починають вібрувати в унісон, тобто стають когерентними. Хвильові функції всіх атомів перекриваються, тому в якомусь сенсі КБЭ нагадує гігантський «сверхатом», причому всі складові його окремі атоми коливаються в унісон. Існування цього незвичайного стану речовини передбачили Ейнштейн і Шатьендранат Бозі ще в 1925 р., але минуло 70 років, перш ніж в 1995 р. КБЭ був нарешті отримано в лабораторіях Массачусетського технологічного інституту і Університету Колорадо.

Ось як працює телепортационное пристрій Бредлі і його команди. Починається все з набору суперхолодных атомів рубідію в стані КБЭ. Потім на КБЭ направляють пучок атомів (все того ж рубідію). Атоми пучка також прагнуть перейти в стан з найнижчою енергією, тому вони скидають надлишки енергії у вигляді квантів світла. Отриманий таким чином посилають світловий промінь по оптоволоконному кабелю. Примітно, що цей промінь містить всю квантову інформацію, необхідну для опису первинного пучка речовини (тобто інформацію про розташування і швидкості всіх його атомів). Пройшовши по кабелю, світловий промінь потрапляє в іншій КБЭ, який перетворює його в початковий потік речовини.

Цей новий метод телепортації вчені вважають надзвичайно перспективним, так як в ньому не задіяна заплутаність атомів. Але у цього методу є свої проблеми. Він дуже жорстко визначається властивостями конденсату Бозе-Ейнштейна, який надзвичайно складно отримати в лабораторії. Більш того, КБЭ має досить незвичайними властивостіми і в деяких відносинах веде себе як один гігантський атом. Незвичайні квантові ефекти, які можна спостерігати лише на атомному рівні, в КБЭ в принципі можна побачити неозброєним оком. Коли-то це вважалося неможливим.

Найближчим практичне додаток КБЭ - створення атомних лазерів. Зрозуміло, основою лазера служить когерентний пучок фотонів, які коливаються в унісон. Але ж КБЭ являє собою набір атомів, які теж коливаються в унісон; звідси можливість створити потік когерентних КБЭ-атомів. Іншими словами, КБЭ може стати основою для пристроїв, аналогічних звичайних лазерів: це атомні, або речові, лазери, які зроблені з КБЭ-атомів. В даний час лазери мають найширше застосування в звичайному житті, і атомні лазери, можливо, увійдуть в наше життя не менш глибоко. Але так як КБЭ може існувати тільки при температурах, ледь-ледь перевищують абсолютний нуль, прогрес у цій галузі напевно буде повільним, хоча і впевненим.

Чи можемо ми сказати з урахуванням всього вже досягнутого, коли ми самі отримаємо можливість переміщуватися? У найближчі роки фізики сподіваються телепортувати складні молекули. Після цього кілька десятиліть напевно піде на розробку способу телепортацію ДНК або, може бути, якогось вірусу. Проти телепортації людини - в точності як у фантастичних фільмах - також немає ніяких принципових заперечень, але технічні проблеми, які треба подолати на шляху до подібного досягнення, вражають уяву. Поки що для того, щоб домогтися когерентності крихітних світлових фотонів і окремих атомів, потрібні зусилля кращих фізичних лабораторій миру. Про квантової когерентності за участю реальних макроскопічних об'єктів, таких як людина, поки що не йдеться і ще довго йти не буде. Швидше за все, пройде чимало століть, перш ніж ми зможемо телепортувати звичайні предмети, якщо це взагалі можливо.
Квантові комп'ютери

По суті, доля квантової телепортації тісно пов'язана з долею проектів з розробки квантових комп'ютерів. Обидва напрями користуються одними і тими ж законами квантової фізики і однаковими технологіями, тому між ними йде постійна і дуже активний обмін ідеями. Квантові комп'ютери, можливо, коли-небудь повністю замінять на наших столах звичні цифрові комп'ютери. Більше того, одного разу може виявитися, що від цих комп'ютерів залежить майбутнє світової економіки, тому ці технології являють величезний комерційний інтерес. Нові технології, створені на базі квантових технологій, які прийдуть на зміну сучасним технологіям, і Силіконова долина, цілком можливо, піде в минуле слідом за столицями американського автопрому.

Звичайні комп'ютери вважають в двійковій системі числення і оперують лише нулями та одиницями, які називаються бітами. Але квантові комп'ютери набагато могутніше. Вони можуть оперувати кубітами, або квантовими бітами, які можуть приймати і проміжні між 0 і 1 значення. Уявіть собі атом, поміщений в магнітне поле. Він крутиться, як дзига, і вісь його обертання може вказувати вгору або вниз. Здоровий глузд говорить нам, що спін атома може бути направлений вгору або вниз, але ніяк не в обидві сторони одночасно. Але в дивному світі квантів атом описується як сума обох цих станів, як суперпозиція атома з позитивним спіном і атома з негативним спіном. В нелюдському світі квантів кожен об'єкт описується як сума всіх можливих станів. (Якщо ви хочете дати квантовий опис великого об'єкта, наприклад кішки, це означає, що вам доведеться скласти хвильову функцію живої кішки з хвильовою функцією мертвої кішки, так що в результаті вийде кішка, одночасно мертва і жива, про що я розповім докладніше в главі 13.)

Тепер уявіть собі ланцюжок атомів, збудованих в магнітному полі, так що спини всіх атомів спрямовані в одну сторону. Якщо освітити цю ланцюжок атомів лазерним променем, то промінь відіб'ється від атомів, перевернувши при цьому осі обертання деяких з них. Вимірявши різницю між початковим і відбитим лазерними променями, ми отримаємо результат складної квантової обчислювальної операції, яка являє собою переворот осей обертання безлічі атомів.

Квантові комп'ютери ще не вийшли з дитячого віку. Максимум, що вдалося поки порахувати квантовим вычислителю, - це 3 х 5 = 15. Чи можна вважати це серйозною заявкою на витіснення сьогоднішніх суперкомп'ютерів. У квантової телепортації і квантових комп'ютерів один і той же фатальний недолік: необхідність підтримувати когерентність великої кількості атомів. Рішення цієї проблеми призвело б до величезного ривка вперед в обох областях.

ЦРУ та інші секретні організації виявляють до квантових комп'ютерів активний інтерес. Основою для більшості секретних кодів світу служить «ключ», що представляє собою дуже велике ціле число, який необхідно розкласти на прості множники. І якщо ключ являє собою добуток двох стозначных чисел, то цифрового комп'ютера може знадобитися більше ста років, щоб знайти ці два співмножника, не маючи ніяких додаткових даних. На даний момент такі коди можна вважати практично не піддаються злому.

Але в 1994 р. Пітер Шор з Лабораторії Белла показав, що для квантового комп'ютера розкладання на множники було б дитячою грою. Зрозуміло, що це відкриття миттєво підігріло інтерес розвідувального співтовариства. В принципі, квантовий комп'ютер здатний був би зламати всі коди в світі і повністю зруйнувати систему безпеки сучасних комп'ютерів. Перша країна, якій вдасться створити таку систему, може розраховувати на проникнення в найглибші таємниці інших країн і організацій.

Деякі вчені припускають, що в майбутньому світова економіка може опинитися повністю залежною від квантових комп'ютерів. Очікується, що цифрові комп'ютери на базі кремнієвих технологій досягнуто фізичної межі - в сенсі зростання обчислювальної потужності-десь після 2020 р. І щоб техніка продовжувала розвиватися, потрібна, швидше за все, створювати нові, ще більш могутні родини обчислювальної техніки. Інші вчені сподіваються відтворити за допомогою квантових комп'ютерів міць людського мозку.

Таким чином, ставки надзвичайно високі. Якщо вдасться вирішити проблему когерентності, то нам, можливо, не підкориться тільки телепортація. Не виключено, що квантові комп'ютери дадуть нам можливість розвивати найрізноманітніші технології в невідомих поки слабо передбачуваних напрямках. Прорив в цій області настільки важливий, що в наступних главах я ще не раз повернуся до обговорення даної теми.

Як я вже вказував, когерентність надзвичайно важко підтримувати у лабораторія. Навіть сама слабка випадкова вібрація здатна порушити когерентність двох атомів і звести нанівець всі зусилля. Сьогодні нам насилу вдається підтримувати когерентність хоча б жменьки атомів. Атоми, спочатку перебували «у фазі», починають втрачати синхронність вже через кілька наносекунд; в кращому випадку вони утримуються в цьому стані до секунди. Телепортацію необхідно проводити дуже швидко, перш ніж атоми почнуть втрачати синхронність, і це ще один обмежуючий фактор для квантових обчислень і телепортації.

Незважаючи на всі перешкоди, Девід Дойч з Оксфордського університету впевнений, що ці проблеми можна вирішити: «Якщо пощастить, за допомогою останніх теоретичних досягнень на створення [квантового комп'ютера] буде потрібно, можливо, значно менше 50 років... Це був би абсолютно новий спосіб приборкання природи».

Щоб побудувати реальний квантовий комп'ютер, що нам потрібно від сотень до мільйонів атомів, що коливаються в унісон; на сьогоднішній день нам ще далеко до таких досягнень. Зараз телепортація капітана Кірка була б астрономічно важким справою. Для цього нам довелося б встановити квантова заплутаність з копією-близнюком капітана Кірка. Навіть з урахуванням нанотехнологій і новітніх комп'ютерів важко уявити собі, як це можна зробити на практиці.

Отже, на атомному рівні телепортація вже існує, і цілком можливо, що вже протягом кількох найближчих десятиліть ми навчимося телепортувати складні і навіть органічні молекули. А ось телепортації макроскопічних об'єктів після цього доведеться чекати значно довше - від декількох десятиліть до декількох століть, а то й більше, якщо ця процедура взагалі можлива.

Тому телепортацію складних молекул, може бути, навіть вірусів або живих клітин, слід віднести до I класу неможливості, що означає: рішення цієї задачі слід очікувати ще в цьому столітті. Але телепортація людини, хоча і не суперечить законам фізики, навряд чи буде реалізована найближчим часом. На рішення цієї задачі - за умови, що рішення взагалі існує, - може знадобитися ще не одна сотня років. Тому я б відніс телепортацію такого роду до II класу неможливості.