Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Связанные подобным образом частицы были названы запутанными, и в 1980 г. французский физик Алан Аспе провел эксперимент, доказавший их существование. Когда ученый измерял какую-либо характеристику одного из членов связанной пары, другой тут же «информировался» не только о результате, но и о способе измерения.

Применение квантовой запутанности было найдено в 1993 г. благодаря американскому физику Чарльзу Беннетту, который придумал, как переносить квантовые характеристики одного объекта на другой с помощью связанных пар. Четыре года спустя коллектив ученых, возглавляемый австрийским физиком Антоном Цайлингером, впервые телепортировал информацию о фотоне (направление оси вращения частицы, плоскость распространения электромагнитной волны и пр.) между двумя источниками. Позже исследователи повторили подобные опыты с фотоном и группой атомов, а еще — с двумя атомами и атомом-посредником, но никто не знал, как это использовать на практике.

Только в 2008 г. исследователи из американского Университета Мэриленда во главе с Кристофером Монро разработали более или менее удобный способ квантовой телепортации. Два иона иттербия были изолированы на расстоянии метра один от другого в вакууме, в электрическом поле, которое не давало им двигаться. Затем лазерный импульс выбил из «подопытных» фотоны, и те, встретившись, спутали «родительские» ионы между собой. В тот же миг свойства частиц стали одинаковыми, невзирая на метровую дистанцию.

Успех этого эксперимента дал Монро надежду на то, что в скором времени на базе его системы будет собран масштабный квантовый «ксерокс», который сможет передавать копии на дальние расстояния.

Через четыре года китайские физики переправили данные о частицах на 97 км, а исследователи Австрийской академии наук и Венского университета под руководством того же Цайлингера совершили телепортацию между Канарскими островами Тенерифе и Ла Пальма, расположенными на расстоянии 143 км. В ходе эксперимента образовались пары не просто спутанных, но еще и закрученных фотонов, которые сохраняли связь на протяжении 3 км.

Как это получилось? Сначала ученые спутали два фотона, а затем у одного из них изменили поляризацию (плоскость распространения волны). Соответственно другой фотон тоже переориентировал направление своей поляризации. Одна такая пара (1―2) была размещена на передатчике, а другая (3―4) — на приемнике. Пары никак не взаимодействовали между собой, пока передатчик не послал приемнику фотон 1. В итоге этот фотон спутался с 3-м, а 2-й автоматически связался с 4-м — хотя между ними была огромная дистанция.

Это стало прочным фундаментом для всемирной информационной сети — более эффективной, быстрой и надежной, чем Интернет. Сейчас австрийские и китайские ученые сообща трудятся над космическим проектом, в рамах которого будет запущен спутник Quantum Science Satellite с квантовым приемо-передатчиком на борту. Одновременно в Китае и Европе строятся наземные спутниковые станции, которые должны соединить Землю и Космос квантовыми каналами. По мнению ученых, такие спутники позволят создать абсолютно безопасную информационную сеть между Европой и Китаем.

Не так давно Цайлингер провел удачный эксперимент по телепортации квантовых данных — в частности орбитального углового момента поляризации фотона. Вообще, кванты света распространяются лишь в двух плоскостях: вертикальной и горизонтальной. Однако орбитальный угловой момент предусматривает множество видов поляризации закрученных фотонов. В результате можно получить запутанность в сотнях измерений одновременно, и она будет выдерживать дистанции до 3 км. По утверждениям Цайлингера, телепортировать данные возможно даже неизвестному адресату, главное — придумать, как передавать фотоны на большие расстояния, не нарушая их характеристик.

Ныне сформировалась целая наука — квантовая информатика, одним из законов которой является невозможность клонировать кубит (квантовый бит). Данная единица информации хранит в себе не одно какое-то состояние (0 или 1, включено или выключено, заряжено или не заряжено и т. д.), а наслоение этих состояний, что в традиционной технике осуществить нельзя. Так вот, даже если мы соберем все данные о некоем квантовом объекте, то создать второй такой не сможем. Ведь появление двух одинаковых кубитов влечет за собой парадокс квантовых близнецов, и, чтобы ликвидировать его, нужно задать копиям разные параметры: расположение в пространстве и времени, фазы и пр. Или же попросту уничтожить «оригинал». То есть совершить телепортацию.

Ученые обещают, что компьютеры, сконструированные на основе квантовой телепортации, будут вмещать намного больше информации, по сравнению с обычными машинами, и расходовать при этом в разы меньше энергии. Вместе с тем повысится опасность вирусов, ведь телепортация предоставитвозможность квантовым вредоносным программам жить за пределами компьютеров.

Более того, ученые полагают, что люди могут научиться «телепортировать» мысли друг другу. Думая о ком-то, мы посылаем этому человеку электромагнитные кванты. Адресат, конечно же, знает о нашем существовании, поэтому его квантовые частицы спутываются с посланными, в результате чего его мозг считывает информацию. Возможно, если мы натренируемся управлять нашим сознанием, то чтение мыслей станет вполне реальным.

О том, что крошечные атомные ядра могут выделять мощнейшую энергию, мир узнал в 1945 г., когда были сброшены первые атомные бомбы. Один американский журналист даже пророчил появление автомобилей, работающих на атомных двигателях, и полный отказ от добычи угля: мол, производить энергию из атомов намного дешевле. Впрочем, такие прогнозы оказались слишком преждевременными. На создание ядерного реактора ушло несколько десятков лет, полных проб и ошибок.

Собственно, начало ядерной энергетике было положено в 1939 г., когда немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман открыли деление урановых ядер при столкновении с нейтронами. Уже через месяц участники вашингтонской конференции то ли в шутку, то ли всерьез завели разговор о производстве ядерной энергии, но для этого нужно было выяснить, сколько нейтронов рождается в результате деления урана и хватит ли их для запуска цепной реакции. Последующие испытания показали: одно урановое ядро дает от одного до трех нейтронов, однако лишь малая часть природного урана (около 0,7 %) способна делиться этими частицами — остальная же просто поглощает «бомбардировщиков». Количество нейтронов, производимых малочисленным ураном-235, было очень даже приличным, но все они «попадали в зубы» преобладающему урану-238.