Включено в книгата
Оригинално заглавие
Physics of the Impossible, (Пълни авторски права)
Превод от
, (Пълни авторски права)
Форма
Научен текст
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,4 (× 23 гласа)
Сканиране
Диан Жон (2010 г.)
Разпознаване и корекция
dave (2010 г.)

Издание:

Мичио Каку. Физика на невъзможното

Американска, първо издание

Редактор: Саша Попова

Оформление на корица: „Megachrom“, 2010 г.

ИК „Бард“ ООД, 2010 г.

ISBN: 978-954-655-109-2


4. Телепортация

Колко е хубаво, че се натъкнахме на парадокс. Сега има някаква надежда да постигнем напредък.

Нилс Бор

Не мога да променя законите на физиката, капитане!

Скоти, главният инженер в „Стар Трек“

Телепортацията или способността един човек или предмет да бъде прехвърлен мигновено от едно място на друго, е технология, която би могла да промени хода на развитието на цивилизацията и съдбата на нациите. Тя би променила безвъзвратно и правилата за водене на война. Армиите ще телепортират свои части зад вражеската линия или просто ще се телепортират при вражеското командване и ще го пленят. Днешните транспортни системи — от колите и корабите до самолетите и влаковете, както и индустрията, обслужваща тези системи — ще станат отживелица. Ние просто ще се телепортираме на местоработата си, както и стоките на пазара. Отпуските ни ще протичат безпроблемно, тъй като за миг ще се телепортираме до съответната дестинация. Телепортацията наистина би променила всичко.

Най-ранното споменаване за телепортация може да бъде открито в религиозни текстове като Библията, където духове отвличат хора.[1] Откъсът от Деяния на св. апостоли в Новия завет, който следва, изглежда, има предвид телепортацията на Филип от Газа в Азот: „Когато пък излязоха из водата, Дух Светий слезе върху скопеца, а Филипа грабна Ангел Господен; и скопецът го вече не видя, и радостен продължи пътя си. А Филип се озова в Азот и, през дето минаваше, благовестеше по всички градове, докато стигна в Кесария.“ (Деяния, 8:39–40).

Телепортацията е и артикул от торбата с трикове и илюзии на всеки магьосник: изваждането на зайци от шапка, на карти от ръкавите, на монети иззад нечии уши. Един от по-амбициозните магически трикове напоследък включва слон, който изчезва пред очите на смаяната публика. По време на тази демонстрация огромен слон, който тежи тонове, беше поставен в клетка. После, с едно замахване на вълшебната пръчица на магьосника, слонът изчезна за най-голямо удивление на публиката. (Разбира се, в действителност слонът не изчезна. Трикът се извършва с помощта на огледала. Дълги тънки вертикални огледални ивици са поставени зад всяка пръчка на клетката. Подобно на порта, всяка от тези вертикални огледални ивици можеше да бъде накарана да се завърти около оста си. В началото на магическия трик, когато всички тези вертикални огледални ивици бяха подредени в права линия зад пръчките, огледалата не могат да се забележат и слонът се вижда. Но когато огледалата се завъртят на 45 градуса и се обърнат с лице към публиката, слонът изчезна, а публиката остана да гледа втренчено към отразеното изображение отстрани на клетката.)

Телепортация и научна фантастика

Най-ранното споменаване на телепортацията в научната фантастика е в разказа на Едуард Пейдж Мичъл „Човекът без тяло“, публикуван през 1877 година. В този разказ един учен успял да разглоби една котка на отделни атоми и да ги предаде по телеграфна жица. За съжаление батерията се изчерпала, докато ученият опитвал да телепортира самия себе си. Само главата му била телепортирана успешно. — Сър Артър Конан Дойл, прочут най-вече с романите си за Шерлок Холмс, бил омагьосан от идеята за телепортацията.[2] След като години наред писал детективски романи и повести, поредицата от книги за Шерлок Холмс започнала да му омръзва и накрая той убил своя герой, като го накарал да се бори до смърт с професор Мориарти над един водопад и да падне в него. Но общественият протест бил толкова силен, че Дойл бил принуден да възкреси детектива си. Тъй като не можел да погуби Шерлок Холмс, Дойл решил да създаде съвсем нова поредица, в която главна роля играел професор Челинджър — съответствието на Шерлок Холмс. И двамата притежавали бърз ум и остра наблюдателност, с които разгадавали мистериите. Но докато мистър Холмс използвал студената, дедуктивна логика, за да разрешава сложните случаи, професор Челинджър изследвал тъмния свят на спиритуалните и паранормалните явления, включително телепортацията. В романа от 1927 г. „Дезинтеграционната машина“ професорът среща случайно един джентълмен, който бил изобретил странна машина. Тя можела да дезинтегрира едно лице и след това да го сглоби отново някъде другаде. Но професор Челинджър се ужасил, когато изобретателят се похвалил, че неговото изобретение би могло, ако попадне в неподходящи ръце, да унищожи цели градове с милиони хора в тях само с едно натискане на бутона. Професор Челинджър използвал машината, за да дезинтегрира изобретателя и напуснал лабораторията, без да го сглоби наново.

Холивуд открива телепортацията относително късно. Филмът от 1958 г. „Мухата“ показва нагледно какво може да се случи, когато телепортирането протече не така, както трябва. Когато един учен се телепортира от единия в другия край на една стая, атомите му се смесват с тези на една муха, която случайно е попаднала в телепортационната камера, затова ученият се превръща в гротескно видоизменено чудовище — получовек-полумуха. (През 1986 г. по кината беше пуснат римейк с участието на Джеф Голдблум в главната роля.)

За първи път телепортацията заема видно място в популярната култура с появата на сериала „Стар Трек“. Създателят на „Стар Трек“ Джин Родънбъри въвежда телепортацията в сериала, защото бюджетът на „Парамаунт Студио“ не позволявал скъпите специални ефекти, необходими за симулирането на ракетни кораби, които да излитат и кацат на далечни планети. Било по-евтино екипажът на „Ентърпрайс“ просто да бъде прехвърлен на желаното място.

През годините учените не са спирали да отправят възражения срещу възможността да бъде осъществено телепортиране. За да телепортирате някого, трябва да знаете точното място на всеки атом в едно живо тяло, което би нарушило принципа на неопределеността на Хайзенберг (който гласи, че не можете да знаете и точното местоположение, и скоростта на един електрон.) Отстъпвайки пред критиците, режисьорите на сериала „Стар Трек“ въвеждат „Хайзенбергови компенсатори“ в транспортната стая, сякаш човек би могъл да компенсира законите на квантовата физика, като добави една джаджа към транспортното устройство. Но както се оказва, необходимостта от създаване на тези Хайзенбергови компенсатори може да се окаже прибързана и критиците и учените от недалечното минало да грешат.

Телепортацията и квантовата теория

Според Нютоновата теория телепортацията, очевидно е невъзможна. Законите на Нютон се основават на идеята, че материята е съставена от съвсем малки, твърди билярдни топки. Обектите не се движат, докато не бъдат бутнати, не изчезват внезапно и не се появяват отново някъде другаде.

Но в квантовата теория точно това правят частиците. Законите на Нютон, които господствали в продължение на 250 години, загубили първенството си през 1925 г., когато Вернер Хайзенберг, Ервин Шрьодингер и техните колеги създали квантовата теория. Когато анализирали странните свойства на атомите, физиците открили, че електроните действат като вълни и могат да правят квантови скокове в своите привидно хаотични движения в рамките на атома.

Човекът, свързан най-тясно с тези квантови вълни, е виенският физик Ервин Шрьодингер. Той измислил знаменитото вълново уравнение, което носи неговото име и е едно от най-важните уравнения във физиката и химията. Цели курсове в гимназията са посветени на решаването на това уравнение и цели стени от библиотеките по физика са пълни с книги, които описват неговите следствия. По принцип всичко в химията може да бъде сведено до решенията на същото това уравнение.

През 1905 г. Айнщайн показал, че светлинни вълни притежават частичкоподобни свойства — т.е. могат да бъдат описани като пакети от енергия, наречени фотони. Но през 20-те години на XX в. за Шрьодингер станало очевидно, че е вярно и противоположното твърдение: че частици като електроните проявяват и вълноподобно поведение. Идеята била оповестена за първи път от френския физик Луи дьо Бройл, който спечелил Нобелова награда за това предположение. (На студентите в нашия университет ние правим следната демонстрация, за да онагледим обучението. Изстрелваме електрони във вътрешността на катодна тръба като тези в телевизорите. Електроните минават през съвсем малка дупка, затова при нормални условия бихте очаквали да видите съвсем малка точка на мястото, където електроните се удрят в телевизионния екран. Вместо това се появяват концентрични вълноподобни пръстени, които бихте очаквали, ако през дупката беше минала вълна, а не насочена частица.)

Един ден Шрьодингер четял лекция за това любопитно явление. Един негов колега физик на име Питър Дебай му отправил предизвикателство, като го попитал, какво е вълновото уравнение на електроните, след като те биват описвани чрез вълни.

Откакто Нютон бил създал математическия анализ, физиците описвали вълните на езика на диференциалните уравнения, затова Шрьодингер приел въпроса на Дебай като предизвикателство да създаде диференциално уравнение за електронните вълни. Още същия месец той излязъл в отпуск и когато се върнал на работа, вече бил готов с уравнението. Така че както Максуел преди него бил взел силовите полета на Фарадей и извлякъл от тях уравненията за светлината, така и Шрьодингер взел вълните на материята на Дьо Бройл и извлякъл от тях уравненията за електроните.

(Историците на науката са положили усилия да проследят какво точно е правил Шрьодингер, когато е измислил своето знаменито уравнение, което променило завинаги ландшафта на модерната физика и химия. Шрьодингер бил почитател на свободната любов и често бил съпровождан по време на отпуските си освен от съпругата си, и от своите любовници. Той дори е направил подробно описание в дневника си на всичките си многобройни любовници, като е обозначил със сложни кодове всяка случайна среща. Историците са установили, че е бил във вила Хервиг в Алпите с една от своите приятелки през уикенда, в който е измислил уравнението.)

Когато започнал да решава своето уравнение за водородния атом, Шрьодингер открил за своя най-голяма изненада точните енергийни равнища на водорода, които били каталогизирани грижливо от физиците преди него. После осъзнал, че старата схема на атома, направена от Нилс Бор, на която електроните се движат с голяма скорост около ядрото (схема, която се използва и до днес в книгите и рекламите за символично представяне на модерната наука), в действителност е погрешна. Тези орбити би трябвало да бъдат заменени от вълни, които обграждат ядрото.

Трудът на Шрьодингер разпръснал шокови вълни из цялата физична общност. Изведнъж физиците успели да надзърнат в самия атом, да проучат подробно вълните, които съставят неговите електронни слоеве и да извлекат точни положения за тези енергийни равнища, които съответстват на данните.

Но учените продължавали да се измъчват от един въпрос, който и днес преследва физиката. Ако електронът се описва чрез вълна, то тогава какво представлява вълнението? На този въпрос отговорил физикът Макс Борн, според когото тези вълни представляват в действителност вероятностни вълни. Вълните разкриват само възможността един отделен електрон да бъде открит на някое място по някое време. С други думи, електронът е частица, но вероятността да бъде открита тази частица ни се предоставя от вълната на Шрьодингер. Колкото по-голяма е вълната, толкова по-голяма е възможността да бъде открита частицата в определена точка.

С тези разработки случайността и вероятността били въведени в самата същност на физиката, която преди това давала точни предположения и подробни траектории на частиците, като се започне от планетите и се стигне до кометите и оръдейните гюлета.

Тази неопределеност накрая била систематизирана от Хайзенберг, когато предложил принципа на неопределеността, т.е. представата, че не можете да знаете и точната скорост, и точното местоположение на един електрон по едно и също време.[3] Нито пък можете да знаете каква точно е енергията му, когато бъде измервана в течение на даден период от време. На квантово равнище всичките основни закони на здравия разум биват нарушени: електроните могат да изчезват и да се появяват другаде, както и да се намират на много места по едно и също време.

(По ирония на съдбата Айнщайн — кръстникът на квантовата теория, който спомогнал за стартирането на революцията през 1905 г., и Шрьодингер, който съставил вълновото уравнение, били ужасени от въвеждането на случайността във фундаменталната физика. Айнщайн писал: „Квантовата механика заслужава голямо уважение. Но някакъв вътрешен глас ми нашепва, че тя не е правилното решение. Теорията предлага много, но тя едва ли ще ни приближи до тайната на Стареца (Бога). Що се отнася до мен, убеден съм, че Той не си играе на зарове.“[4])

Теорията на Хайзенберг била революционна и противоречива — но давала резултати. С един замах физиците можели да обяснят огромен брой озадачаващи явления, които включвали законите на химията. За да покажа на моите студенти колко странна е квантовата теория, понякога ги моля да изчислят вероятността техните атоми изведнъж да се разпаднат и след това да се появят от другата страна на една тухлена стена. Подобна телепортация е невъзможна според Нютоновата физика, но се допуска от квантовата механика. Отговорът обаче гласи, че за да се случи това, човек трябва да чака по-дълго време, отколкото е необходимо за съществуването на една вселена. (Ако сте използвали компютър, за да начертаете графиката на вълната на Шрьодингер върху вашето тяло, ще откриете, че тя прилича много на всички негови характеристики, като изключим това, че изглежда малко неясна, тъй като някои от вашите вълни се излъчват във всички посоки. Някои от тях ще стигат чак до далечни звезди. Затова има вероятност, макар и малка, един ден да се събудите на някоя друга планета.)

Фактът, че електроните могат привидно да се намират на много места по едно и също време, лежи в самата основа на химията. Знаем, че електроните се въртят около ядрото на един атом, подобно на миниатюрна слънчева система. Но атомите и слънчевите системи са различни. Ако две слънчеви системи се сблъскат в открития космос, те се разпръсват и планетите се разлетяват надалеч. Но ако се сблъскат атоми, те често образуват молекули, които са стабилни, като си поделят електроните помежду си. В гимназиалните часове по химия учителите често илюстрират това с един „лепнат електрон“, който прилича на футболна топка и свързва в едно цяло двата атома.

Но това, което учителите по химия казват рядко на учениците си, е, че електронът изобщо не е „лепнат“ между двата атома. Тази „футболна топка“ в действителност представлява вероятността електронът да се намира на много места по едно и също време в рамките на същата тази футболна топка. С други думи, цялата химия, която обяснява молекулите вътре в нашите тела, се основава на идеята, че електроните могат да се намират на много места по едно и също време, и именно това споделяне на електрони между два атома крепи в едно цяло молекулите на нашето тяло. Ако не беше квантовата теория, молекулите и атомите ни биха се разпаднали мигновено.

Тази специфична, но трудна за разбиране особеност на квантовата теория (че има определена вероятност да се случат дори най-странните събития) била експлоатирана от Дъглас Адамс в неговия весел роман „Пътеводител на галактическия стопаджия“. Трябвал му подходящ начин за придвижване с голяма скорост през Галактиката, затова той изобретил безкрайно невероятностния двигател, „чудесно изобретение, правещо възможно прекосяването на огромни междузвездни пространства за нищожно малка част от секундата, като при това се избягва онова досадно мотаене из хиперпространството“.[5] Неговата машина ви дава възможност да променяте вероятностите във всяко квантово събитие по своя воля, така че дори крайно неправдоподобни събития да станат обичайно явление. Така че, ако искате да стигнете до най-близката звездна система, просто ще трябва да промените вероятността, която ще ви материализира отново върху тази звезда, и готово! Ще се телепортирате незабавно там.

В действителността квантовите „скокове“, които са толкова обичайни вътре в атома, не могат да бъдат осъществени лесно в големи обекти като хора, в които има трилиони трилиони атоми. Дори ако електроните в нашето тяло танцуват и скачат по време на своето фантастично пътуване около ядрото, те са толкова много, че техните движения достигат едно средно число. Ето защо, общо казано, на нашето равнище веществата изглеждат твърди и постоянни.

Въпреки че телепортацията се допуска на атомно равнище, би трябвало да чакаме по-дълго време, отколкото е необходимо за съществуването на Вселената, за да станем наистина свидетели на тези странни ефекти на макроскопично равнище. Но може ли човек да използва законите на квантовата теория, за да създаде машина, която да телепортира всичко, което желае, както се случва в научнофантастичните романи? Удивително, но отговорът е „да, но с някои уговорки“.

Експериментът АПР

Ключът към квантовата телепортация се крие в една прочута статия от 1935 г., написана от Алберт Айнщайн и неговите колеги Борис Подолски и Натан Розен, които по ирония на съдбата предложили експеримента АПР (наречен така на тримата автори), за да предотвратят веднъж завинаги въвеждането на вероятността във физиката. (Оплаквайки се от безспорните експериментални успехи на квантовата теория, Айнщайн писал: „Колкото по-голям успех постига квантовата теория, толкова по-глупава изглежда.“[6])

Ако два електрона първоначално вибрират в унисон (състояние, наречено кохерентност), те могат да останат в състояние на вълноподобна синхронизация дори ако са отдалечени на голямо разстояние. Въпреки че двата електрона могат да бъдат разделяни от разстояния от порядъка на светлинни години, има една невидима вълна на Шрьодингер, която ги свързва, подобно на пъпна връв. Ако се случи нещо с единия електрон, информацията бива предадена незабавно на другия. Това се нарича „квантово вплитане“ — т.е. частиците, които вибрират в състояние на кохерентност, притежават някаква дълбока връзка.

Да вземем два кохерентни електрона, които вибрират в унисон. След това да им позволим да се разлетят в противоположни посоки. Всеки електрон е подобен на въртящ се връх. Спиновете на електроните могат да бъдат насочени нагоре или надолу. Да кажем, че общият спин на системата е нула, което означава, че ако спинът на единия електрон е насочен нагоре, спинът на другия електрон е насочен надолу. Според квантовата теория, преди да направим измерване, електронът не се върти нито нагоре, нито надолу, а съществува в ниско състояние, в което се върти и нагоре, и надолу едновременно. (Щом осъществим наблюдение, вълновата функция „изпада в колапс“, оставяйки една частица в определено състояние.)

След това измерваме спина на единия електрон. Да речем, че той се върти нагоре. Тогава веднага разбираме, че спинът на другия електрон е насочен надолу. Дори ако електроните са разделени на светлинни години, веднага ще узнаем какъв е спинът на втория електрон, щом измерим спина на първия електрон. Всъщност ще узнаем това със скорост, по-голяма от тази на светлината! Тъй като тези два електрона са „вплетени“, т.е. техните вълнови функции пулсират в унисон, то техните вълнови функции са свързани с невидима „нишка“ или пъпна връв. Каквото се случи на единия, то автоматично оказва въздействие върху другия. (В известен смисъл това означава, че онова, което се случва на нас, автоматично и мигновено се отразява на неща, разположени в най-отдалечените ъгълчета на Вселената, тъй като нашите вълнови функции са били вплетени в началото на времето. В известен смисъл съществува мрежа от вплитания, която свързва и най-далечните ъгълчета на Вселената, в това число и нас.) Айнщайн нарекъл подигравателно това явление „призрачно действие на разстояние“ и то му дало възможност да „докаже“, че квантовата теория е погрешна според него, тъй като нищо не може да се движи със скорост, по-голяма от тази на светлината.

Първоначално Айнщайн предвиждал експериментът АПР да се превърне в погребален звън за квантовата теория. Но през 80-те години на XX в. Алан Аспект и негови колеги във Франция провели същия експеримент с помощта на два детектора, разположени на разстояние 15 м един от друг. Те измервали спиновете на фотоните, излъчвани от калциеви атоми, и резултатите се съгласували напълно с квантовата теория. Очевидно Бог наистина си играе на зарове с Вселената.

Но нима информацията се движи със скорост, по-голяма от тази на светлината? И нима Айнщайн е грешал, когато е твърдял, че скоростта на светлината е пределната скорост във Вселената? Информацията наистина се движи със скорост, по-голяма от тази на светлината, но информацията е произволна и вследствие на това безполезна. Не можете да изпратите истинско съобщение или морзов код с помощта на експеримента АПР, дори ако информацията се движи със скорост, по-голяма от тази на светлината.

Знанието, че един електрон от другата страна на Вселената се върти надолу, е безполезна информация. Не можете да изпратите днешните курсове на акциите с помощта на този метод. Например да предположим, че ваш приятел винаги носи един червен и един зелен чорап, в произволен ред. Ако проверите единия крак и се окаже, че на него има червен чорап, то тогава вие ще узнаете със скорост, по-голяма от тази на светлината, че другият чорап е зелен. Информацията действително се движи със скорост, по-голяма от тази на светлината, но тази информация е безполезна. Нито един сигнал, съдържащ непроизволна информация, не може да бъде изпратен посредством този метод.

В течение на годините експериментът АПР е бил използван като пример за решителната победа на квантовата теория над нейните критици, но това е победа без стойност и тя няма практически последствия. Засега.

Квантова телепортация

Всичко се променило през 1993 г., когато учени в Ай Би Ем, ръководени от Чарлс Бенет, показали, че е физически възможно да бъдат телепортирани обекти, поне на атомно равнище, с използването на експеримента АПР.[7] (По-точно, те показали, че можете да телепортирате цялата информация, която се съдържа в една частица.) Оттогава физиците са успели да телепортират фотони и дори цели цезиеви атоми. В рамките на няколко десетилетия учените може и да успеят да телепортират първата ДНК молекула и вирус.

Квантовата телепортация използва някои от по-странните свойства на експеримента АПР. По време на тези телепортационни експерименти физиците започват с два атома — A и C. Да кажем, че бихте искали да телепортирате информация от атом A в атом C. Започваме, като въвеждаме трети — B, който се появява, като е вплетен с C, затова B и C са кохерентни. В този момент A влиза в контакт с B. A сканира B, така че информационното съдържание на A се прехвърля в B. A и B се вплитат по време на този процес. Но тъй като B и C са били вплетени отначало, информацията в A сега бива прехвърлена в C. Накрая A е телепортиран в C, т.е. информационното съдържание на A сега е идентично на това на C.

Забележете, че информацията в атом A е била унищожена (затова не разполагаме с две копия след телепортацията). Това означава, че всяко същество, което хипотетично бъде телепортирано, ще загине по време на този процес. Но информационното съдържание на тялото му ще се появи другаде. Забележете и че атом A не е заел позицията на атом C. Обратно, той е информацията в AA (т.е. неговият спин и поляризация), която е била прехвърлена в C. (Това не означава, че A се е разпаднал и след това е бил бутнат на друго място, а че информационното съдържание на атом A е било прехвърлено в друг атом — C.)

След първоначалното обявяване на пробива напредъкът в тази област протичал в атмосфера на ожесточена конкуренция, тъй като различни групи се опитвали да се изпреварят взаимно. Първата историческа демонстрация на квантова телепортация, в която са били телепортирани фотони на ултравиолетовата светлина, била направена през 1997 г. в университета в Инсбрук. На следващата година експериментатори от Кал Тек извършили още по-прецизен експеримент, включващ телепортирането на фотони.

През 2004 г. физиците от Виенския университет успели да телепортират частици светлина на разстояние 600 м под река Дунав, използвайки фиброоптичен кабел, като по този начин поставили нов рекорд. (Самият кабел бил дълъг 800 метра и бил опънат под обществената канализационна система под река Дунав. Изпращачът стоял от едната страна на реката, а приемникът се намирал на другата.)

В една от критиките на тези експерименти се набляга на това, че те са били извършени с фотони светлина. Това едва ли е материал от научната фантастика. Затова е от значение събитието през 2004 г., когато била демонстрирана квантова телепортация не с фотони светлина, а с истински атоми, което ни приближава с една стъпка към по-реалистично телепортационно устройство. Физиците от Националния институт за стандарти и технологии във Вашингтон, окръг Колумбия, вплели успешно три берилиеви атома и прехвърлили свойствата на един атом в друг. Това постижение било толкова значително, че било изобразено на корицата на списание „Нейчър“. Друга група успяла да телепортира и калциеви атоми.

През 2006 г. обаче бе направена друга ефектна разработка, която включва за първи път макроскопичен обект. Физиците в Института „Нилс Бор“ в Копенхаген и Института „Макс Планк“ в Германия съумяха да вплетат светлинен лъч с газ от цезиеви атоми — изключително постижение, което включва трилиони трилиони атоми. После те шифрираха информацията, съдържаща се в лазерни импулси, и успяха да я телепортират в цезиеви атоми, намиращи се на разстояние от около половин ярд (ок. 40 см). „За първи път — казва един от изследователите на име Ойген Ползик — бе постигната квантова телепортация между светлина — носителя на информация — и атоми.“[8]

Телепортация без вплитане

Напредъкът в областта на телепортацията бързо се ускорява. През 2007 г., беше направен още един пробив. Физиците предложиха телепортационен метод, който не изисква вплитане. Напомням, че вплитането е единствената по рода си най-трудна за преодоляване особеност на квантовата телепортация. Решаването на този проблем би могло да разкрие нови перспективи пред телепортацията.

„Говорим за сноп от около 5 000 светлинни частици, които изчезват от едно място и се появяват някъде другаде“[9], казва физикът Астън Брадли от Австралийския изследователски център, който има отлични постижения в областта на квантовата атомна оптика. Намира се в Бризбейн, Австралия, и е спомогнал за въвеждането на нов метод за телепортиране.

„Убедени сме, че нашият метод е по-близък по дух до първоначалната представа“, твърди той. Според техния подход той и неговите колеги вземат лъч от рубидиеви атоми, конвертират цялата му информация в светлинен лъч, изпращат този светлинен лъч по фиброоптичен кабел и след това реконструират първоначалния лъч от атоми на далечно място. Ако неговото твърдение е вярно, този метод ще отстрани главното препятствие пред телепортацията и ще разкрие съвсем нови пътища пред телепортирането на все по-големи обекти.

За да разграничи този нов метод от квантовата телепортация, доктор Брадли е нарекъл своя метод „класическа телепортация“. (Това е малко подвеждащо, тъй като неговият метод също зависи от квантовата теория, но не и от вплитането.)

Ключът към този непознат досега тип телепортация е едно ново състояние на материята, наречено „кондензат на Бозе-Айнщайн“ иди КБА, което е едно от най-студените вещества в цялата вселена. В естествени условия най-ниската температура може да бъде измерена в открития космос. Тя е 3 К над абсолютната нула. (Това се дължи на остатъчната топлина, останала от Големия взрив, която все още изпълва Вселената.) Но КБА е между една милионна и една милиардна част от един градус над абсолютната нула — температура, която може да бъде получена само в лабораторни условия.

Когато определени форми на материята бъдат охладени до температура, близка до абсолютната нула, всичките им атоми изпадат до най-ниското енергийно състояние, така че те вибрират в унисон, ставайки кохерентни. Вълновите функции на всички атоми се припокриват, така че в известен смисъл един КБА е подобен на гигантски „суператом“, тъй като всичките му отделни атоми вибрират в унисон. Това странно състояние на материята било предсказано от Айнщайн и Сатиендрнат Бозе през 1925 г., но щели да изминат още седемдесет години и да настъпи 1995 г., преди един КБА да бъде създаден накрая в лабораторията на МТИ (Масачузетския технологичен институт) и университета в Колорадо.

Ето как работи телепортационното устройство на Брадли и компания. Първо те започват със сбирка от суперстудени рубидиеви атоми в състояние на КБА. После отправят материален лъч към КБА (който също се състои от рубидиеви атоми). Атомите в лъча се стремят да изпаднат в най-ниското енергийно състояние, затова излъчват излишната си енергия под формата на светлинен импулс. След това този светлинен лъч бива изпратен по фиброоптичен кабел. Забележително е, че светлинният лъч съдържа цялата квантова информация, която е необходима за описването на първоначалния материален лъч (т.е. мястото и скоростта на всичките му атоми). После светлинният лъч се удря в друг КБА, който след това конвертира светлинния лъч в първоначалния материален лъч.

Този нов метод за телепортация е многообещаващ, тъй като не включва вплитането на атоми. Но при него също има проблеми. Зависи съдбоносно от свойствата на КБА, които са трудни за създаване в лабораторни условия. Освен това свойствата на КБА са твърде специфични, защото се държат така, сякаш е един гигантски атом. По принцип странните квантови ефекти, които наблюдаваме само на атомно равнище, могат да се видят с невъоръжено око в случая е КБА. Някога учените смятали това за невъзможно.

Практическото приложение на КБА е в създаването на „атомни лазери“. Лазерите, разбира се, се основават на кохерентни лъчи от фотони, които вибрират в унисон. Но един КБА е сбирка от атоми, които вибрират в унисон, затова е възможно да бъдат създадени лъчи от КБА атоми, които са кохерентни до един. С други думи, един КБА може да създаде съответствието на лазера, атомния лазер или материалния лазер, който е съставен от КБА атоми. Търговското приложение на лазерите е огромно, а търговското приложение на атомните лазери също би могло да бъде многостранно. Но тъй като КБА съществуват само при температури, които се колебаят малко над абсолютната нула, напредъкът в тази област ще бъде бавен.

Като се има предвид напредъкът, който сме постигнали, кога ще бъдем в състояние да се телепортираме? Физиците се надяват да телепортират сложни молекули през следващите години. След това може би една ДНК молекула или дори вирус могат да бъдат телепортирани в рамките на няколко десетилетия. По принцип няма нищо, което да попречи на телепортирането на истински човек, точно така, както става в научнофантастичните филми, но техническите проблеми, пред които е изправено подобно постижение, са наистина огромни. Нужни са някои от най-добре оборудваните лаборатории по физика в света само за създаването на кохерентност между съвсем малки фотони светлина и отделни атоми. Създаването на квантова кохерентност, включваща макроскопични обекти с големината на човек, е изключено за дълъг период занапред. На практика вероятно ще трябва да изминат векове или дори повече време, преди предмети от нашето ежедневие да могат да бъдат телепортирани — ако това изобщо е възможно.

Квантови компютри

В основата си съдбата на квантовата телепортация е тясно свързана с разработването на квантови компютри. И двете използват една и съща квантова физика и една и съща технология, затова е налице интензивно кръстосано оплождане с идеи между тези научни области. Един ден квантовите компютри могат да заменят познатия дигитален компютър. Всъщност бъдещето на световната икономика ще зависи от подобни компютри, затова е налице огромен търговски интерес към тези технологии. След време Силиконовата долина може да се превърне в нещо ненужно, тъй като ще бъде заменена от нови технологии, които ще възникнат въз основа на квантовите изчисления.

Обикновените компютри правят изчисленията си въз основа на странна система от нули и единици, наречена битове. Но квантовите компютри са много по-мощни. Те могат да правят изчисления въз основа на кубитове (квантови битове), които приемат стойности между нула и единица. Представете си атом, поставен в магнитно поле. Той се върти като връх, затова оста на спина му може да бъде насочена било нагоре, било надолу. Здравият разум ни подсказва, че спинът на атома може да бъде насочен или нагоре, или надолу, но не и в двете посоки по едно и също време. Но в странния свят на кванта атомът се описва като сумата от две състояния — сборът от един атом, който се върти нагоре, и един атом, който се върти надолу. В ниския свят на кванта всеки обект се описва от сумата на всички възможни състояния. (Ако големи обекти като котки биват описани по този квантов начин, това означава, че трябва да добавите вълновата функция на една жива котка към тази на една мъртва котка, така че котката не е нито мъртва, нито жива — въпрос, който ще разгледам по-подробно в тринадесета глава.)

А сега си представете редица от атоми, подредени в права линия в магнитно поле, като спинът им е подравнен по един начин. Ако лазерен лъч бъде насочен към тази редица от атоми, той ще отскочи от тях, первайки оста на спина на някои от атомите. Чрез измерването на разликата между идващия и заминаващия си лазерен лъч направихме сложно квантово „изчисление“, включващо перването на много спинове.

Квантовите компютри са все още в пелени. Световният рекорд за квантово изчисление е 3х5=15. Едва ли това е изчислението, което ще измести днешните суперкомпютри. Квантовата телепортация и квантовите компютри притежават един и същ фатален недостатък — поддържането на кохерентност в големи сбирки от атоми. Ако този проблем бъде решен, това ще е огромен пробив и в двете области.

ЦРУ и други секретни организации проявяват силен интерес към квантовите компютри. Много от секретните кодове в света зависят от „шифър“, който е много голямо цяло число, и от способността на човека да го разложи на множители, изразени с прости числа. Ако „шифърът“ е произведението от две числа, като всяко от тях се изразява със сто цифри, то тогава на дигиталния компютър ще му трябват повече от сто години, за да бъдат открити тези два множителя без предварителна подготовка. Подобен шифър в основата си е неразбиваем днес.

През 1994 г. Питър Шор от Лабораториите „Бел“ доказа, че разлагането на множители на големи числа е детска игра за един квантов компютър. Откритието веднага събуди интереса на интелектуалната общност. По принцип един квантов компютър може да разбие всички кодове в света, довеждайки до пълен безпорядък сигурността на днешните компютърни системи. Първата страна, способна да изгради такава система, ще бъде в състояние да разкрие най-големите тайни на другите нации и организации.

Някой учени са изказвали хипотезата, че в бъдеще световната икономика ще зависи от квантовите компютри. Очаква се основаните на силиция дигитални компютри да достигнат своите физически предели от гледна точка на повишаването на мощността им някъде към 2020 година. Ако технологията продължи да осъществява напредък, ще се окаже необходимо създаването на едно ново, по-мощно семейство компютри. Други учени проучват възможността да бъде възпроизведена мощта на човешкия мозък посредством квантовите компютри.

Така че залозите са много високи. Ако успеем да решим проблема с кохерентността, не само ще бъдем в състояние да се справим с предизвикателството, което ни отправя телепортацията, но ще можем и да разработваме технологии от всякакъв вид посредством квантови компютри. Този пробив е толкова важен, че ще се върна на въпроса в следващите глави.

Както изтъкнах по-рано, кохерентността е изключително трудна за поддържане в лабораторни условия. Най-малката вибрация би могла да разстрои кохерентността на двата атома и да прекрати изчислението. Днес е много трудно да се поддържа кохерентност в повече от няколко атома. Атомите, които първоначално са във фаза, започват да изпадат в декохерентност в рамките на период от няколко наносекунди до секунда в най-добрия случай. Телепортацията трябва да бъде извършена много бързо, преди атомите да започнат да излизат от състояние на кохерентност, като по този начин се поставя още едно ограничение пред квантовото изчисление и телепортацията.

Въпреки предизвикателствата Дейвид Дойч от Оксфордския университет смята, че тези проблеми Могат да бъдат преодолени: „С малко късмет и с помощта на неотдавнашните теоретични разработки, (един квантов компютър) може да бъде създаден за много по-малко от 50 години… Това би бил съвсем нов начин за овладяване мощта на природата.“[10]

За да конструираме полезен квантов компютър, ще трябва да разполагаме с количество, вариращо между стотици и милиони атоми, вибриращи в унисон — постижение, което надминава много нашите възможности днес. Телепортирането на капитан Кърк ще бъде невероятно трудно. Трябва да създадем квантово вплитане с близнак на капитан Кърк. Дори с помощта на нанотехнологията и модернизираните компютри е трудно да си представим как това би могло да бъде постигнато.

Телепортацията съществува на атомно равнище и в крайна сметка може би ще можем да телепортираме сложни и дори органични молекули в рамките на следващите няколко десетилетия. Но телепортирането на макроскопичен обект ще трябва да почака от няколко десетилетия до няколко века или дори по-дълго време, ако това, разбира се, изобщо е възможно. Следователно телепортирането на сложни молекули, дори на вирус или на жива клетка, може да бъде окачествено като спадащо към Клас I на невъзможните неща — постижение, което трябва да стане възможно в рамките на този век. Но за телепортирането на човешко същество, макар и това да е допустимо по законите на физиката, може да се окажат необходими столетия след този период. По тази причина ще окачествя последния вид телепортация като спадащ към Клас II на невъзможните неща.

Бележки

[1] Най-интересният записан пример за телепортация датира от 24 октомври 1593 г., когато Жил Перес, дворцов страж от филипинската военна охрана на губернатора на Манила, изведнъж се появил на Плаза Майор в Мексико Сити. Зашеметен и объркан, той бил арестуван от мексиканските власти, които сметнали, че е в съюз със Сатаната. Когато го изправили пред Пресветия трибунал на Инквизицията, всичко, което успял да каже в своя защита, било, че бил изчезнал от Манила и се бил появил в Мексико „за по-малко време от това, което е необходимо на един петел, за да изкукурига“. (Колкото и невероятни да изглеждат историческите описания на този инцидент, историкът Майк Даш е отбелязал, че най-ранните писмени сведения за изчезването на Перес датират от време, отстоящо на един век след изчезването му, и вследствие на това не може да им се вярва напълно.)

[2] Ранните творби на Дойл са прочути с методичното логично мислене, типично за медицинската професия, което откриваме в превъзходните дедукции на Шерлок Холмс. В такъв случай защо Дойл е решил да се прехвърли изведнъж от студената, рационална логика на мистър Холмс върху мъчителните лутания на водения от своята интуиция и опит професор Челинджър, който прониква дълбоко в забранените светове на мистицизма, окултното и най-отвлечените области на науката? Съзнанието на автора било променено дълбоко от внезапната и неочаквана смърт на няколко негови близки родственици през Първата световна война, като сред тях бил любимият му син Кингсли, брат му, двама зетьове и двама племенници. Тези загуби дали дълбоко емоционално отражение върху него. Депресиран от тези трагични кончини, Дойл бил омагьосан до края на живота си от света на окултното, като може би е вярвал, че ще успее да осъществи връзка с мъртвите чрез спиритизма. Той се прехвърлил изведнъж от света на рационалната съдебна наука върху мистицизма и започнал да чете лекции из цял свят, посветени на необяснимите психични явления.

[3] Или по-точно, според принципа на неопределеността на Хайзенберг неопределеността на местоположението на една частица, умножена по неопределеността на нейния механичен момент, трябва да бъде по-голяма или равна на константата на Планк, разделена на 2p. С други думи, произведението на неопределеността на енергията на една частица по неопределеността на нейното време трябва да бъде по-голямо или равно на константата на Планк, разделена на 2p. Ако позволим на константата на Планк да спадне до нула, тя бива сведена до обикновената Нютонова теория, в която всички неопределености са нулеви. Фактът, че не можете да знаете местоположението, механичния момент, енергията или времето на един електрон, е подтикнал Тригви Емилсон да отбележи остроумно: „Историците са стигнали до заключението, че Хайзенберг сигурно е размишлявал върху любовния си живот, когато е открил принципа на неопределеността: Когато е имал времето, той не е разполагал с енергията, а когато моментът е бил подходящ, той не е можел да установи местоположението.“ Barrow. Between Inner Space and Outer Space, с. 187.

[4] Kaku. Einstein’s Cosmos, с. 127.

[5] Адамс, Д. Пътеводител на галактическия стопаджия. Прев. Саркис Асланян. Издателство „Бард“, София, 2002. с. 76. — Б.пр.

[6] Asimov and Schulman, с. 211.

[7] Допуснете за миг, че макроскопични обекти, в чието число влизат и хора, могат да бъдат телепортирани. Това повдига сложни философски и теологични въпроси за съществуването на „душа“, ако тялото на един човек бъде телепортирано. Ако бъдете телепортиран на ново място, дали вашата душа също се движи с вас? Някои от тези етични въпроси са били изследвани в романа на Джеймс Патрик Кели „Мисли като динозавър“. В тази приказка една жена е телепортирана на друга планета, но възниква проблем при прехвърлянето. Вместо оригиналното тяло да бъде унищожено, то остава незасегнато, като и всички емоции на жената се запазват непокътнати. Изведнъж се появяват две нейни копия. Естествено, когато на копието казват да влезе в телепортационната машина, за да бъде дезинтегрирано, то отказва да стори това. Това поражда криза, защото коравосърдечните извънземни, които са осигурили първоначално технологията, гледат на това като на чисто практически въпрос за „изравняване на балансите“, докато по-склонните към емоционални прояви хора симпатизират на каузата й. В повечето разкази на телепортацията се гледа като на дар божи. Но в „Излетът“ на Стивън Кинг авторът изследва последиците от това, което ще се случи, ако възникнат опасни странични последствия при телепортиране. В бъдеще телепортацията ще е нещо обикновено и затова в разказа бива наричана нежно Излета. Точно преди да се телепортира на Марс, един баща разяснява на децата си любопитната история на Излета. Той бил открит за първи път от учен, който го използвал, за да телепортира мишки, но мишките, които преживели телепортацията, били упоени. Мишките, които се събудили по време на телепортацията, загинали мъчително. Затова хората обикновено биват приспивани, преди да бъдат телепортирани. Единственият човек, който е бил телепортиран, докато е бил буден, е бил един осъден престъпник, на когото обещали пълна амнистия, ако се подложи на експеримента. Но след като бил телепортиран, той получил масивен инфаркт, докато произнасял последните си думи: „Там е вечността.“ За съжаление синът, който чува тази омагьосваща приказка, решава да задържи дишането си така, че да не бъде упоен. Резултатите са трагични. След като е телепортиран, той полудява. Косата му побелява, очите му пожълтяват от бяс и той се опитва да ги извади с нокти. Така тайната е разкрита. Физическата материя се телепортира мигновено, но за ума пътешествието продължава вечно, времето изглежда безкрайно и човекът се побърква напълно.

[8] Suplee, Curt. „Тор 100 Science Stories of 2006“, Discover Magazine, December 2006, с. 35.

[9] Merali, Zeeya. New Scientist Magazine, June 13, 2007.

[10] Deutsch, David. New Scientist Magazine, November 18, 2006, с. 69.