Портключі та апарування
Персонажі книг про Гаррі Поттера мають ще один спосіб переміщень у чарівному світі. Це дезаппарування та аппарування: зникнення в одному місці та майже миттєва поява в іншому. Для цього спочатку треба отримати ліцензію у Департаменті чарівних засобів пересування, що відображає страх чарівників перед неправильним аппаруванням, внаслідок якого можна розпастися на дві половини.
Для тих, хто не вміє аппарувати (апарування, до речі, неможливе в межах Гоґвортсу) або боїться роздвоєння, існують портключі. Гаррі розповідає, як він подорожував у потоці вітру та вирію кольору. Цілком нешкідливий предмет - газета, банк, гумка або футбольний м'яч - може перенести мага з одного місця в інше за встановлений час. (Портключі, втім, можуть бути і незвичайними предметами, так, наприклад, портключом виявився Трьохмаговий кубок.)
А що, якщо портключі та апарування використовують той самий принцип транспортування, за допомогою якого капітан Кірк висвічувався із зіркового корабля "Ентерпрайз" на незнайомі планети? Ця лінія розвитку, колись відкинута як неможлива, почала розглядатися всерйоз у 1993 році, коли шестеро вчених підтвердили, що квантова телепортація здійсненна. Через кілька років інші вчені реалізували це на практиці у кількох лабораторіях у всьому світі.
У телепортації давній родовід у науці. Вона зародилася як частина інтелектуальної суперечки між двома великими друзями та гігантами науки, Альбертом Ейнштейном та Нільсом Бором, батьком атомної фізики з Данії. Суперечка виникла через квантову теорію, яку Ейнштейн не любив через її майже магічні властивості. Насправді, нижченаведені міркування можуть поставити в глухий кут, але це типово для всієї теорії в цілому. Як буде видноз останнього розділу, вона приголомшливо добре дає вірні відповіді і гнітюче погано малює зрозумілу картину світу.
У 1935 році Ейнштейн позначив одну з цих загадок в експерименті, проведеному спільно з Борисом Подільським та Натаном Розеном. Вони першими вказали на те, що квантова теорія застосовна не тільки до окремих атомів, а й до молекул, що складаються з багатьох атомів. Наприклад, молекула у тілі Гаррі, що містить два атоми, може бути описана математичним рівнянням хвильової функції. Ейнштейн зрозумів, що якщо ці два атоми розділити, вони, як і раніше, будуть описуватись однією хвильовою функцією. На науковому жаргоні такі стани атомів називаються "плутаними".
Це призвело до дивних наслідків: властивості частки визначаються тільки в момент вимірювання, тому, якщо ви вимірюєте одну з властивостей "сплутаного" атома, стан іншого негайно зміниться. Вимірювання одного з атомних партнерів визначає властивості іншого, навіть якщо він знаходиться на іншому краю Всесвіту. Ця "пряма взаємодія між частинками", очевидно, порушувала теорію відносності Ейнштейна, згідно з якою ніщо, навіть інформація, не може переміщатися швидше за світло.
Дослідження цього феномена технологіями 1930-х було неможливо. Але через сорок років з'ясувалося, що і здоровий глузд, і Ейнштейн були не праві. Взаємодія на відстані, яку так злякався Ейнштейн, насправді відбувається, і саме цей момент квантової теорії використовує телепортація.
Сплутаність дозволяє будь-кому, хто надумає провести телепортацію, уникнути ключової проблеми, яка полягає в тому, чи знаєте ви в точності, що саме хочете телепортувати. Щоб скласти інструкцію зникнення Гаррі та його відтворення в Косому провулку, потрібно знати властивості ("атомні")стани, що визначаються хвильовою функцією) всіх атомів тіла Гаррі, такі як їх енергія і положення. Квантова теорія, однак, говорить нам, що ця спроба призведе до інформаційного хаосу і зробить телепортацію неможливою внаслідок принципу невизначеності, згідно з яким чим точніше ви виміряєте положення частинки, тим менше знатимете про її швидкість.(Квантова механіка загадкова ще й тим, що не дозволяє обчислити хвильову функцію навіть для однієї частки; так що без багатьох її копій ви ніколи не дізнаєтеся про неї стільки, щоб скласти інструкцію.)
Об'єктом першої телепортації стала частка світла – фотон. Команда вчених під керівництвом Антона Цайлінгера, провівши експеримент в Університеті Інсбрука, змогла телепортувати не всю частинку цілком, а лише її квантовий стан - властивість під назвою "поляризація" (спостерігається в повсякденному житті, коли, наприклад, світлові хвилі однакової поляризації проходять крізь сонячні ).
Спочатку вони створили поплутану пару фотонів, направивши лазерний промінь на певний тип кристала. Під час телепортації початковий фотон (стан поляризації якого передбачалося телепортувати) і один із фотонів у поплутаній парі зазнали виміру. Цей вимір, у свою чергу, пов'язав початковий фотон з другим, який все ще пов'язаний зі своїм першим партнером. В результаті другий фотон з початкової сплутаної пари, що знаходиться на іншому кінці лабораторії Цайлінгера, поляризувався так само, як і перший фотон, немов квантове підключення. Таким чином, квантовий стан було передано від одного фотона до іншого.
Якби довелося таким же шляхом телепортувати Гаррі, знадобився б його "клон" (конструктор для складання Гаррі, якщо хочете), пов'язаний із другим "клоном" у системі. "Вонинемов близнюки, у яких ще немає кольору волосся, - каже Цайлінгер, що нині працює в Університеті Відня, - але якщо колір волосся з'явиться в одного з них, те саме станеться і з другим". Зверніть увагу, що "сплутаність" - це не Якщо це один з близнюків Гаррі пофарбує волосся в червоний колір, волосся іншого залишиться колишнього кольору.(Якщо все це здається важким для розуміння, я змушений повідомити вам, що деталі цього питання, наприклад застосування " неклонирующей теореми", ще більш лякаючі, складні і, наважусь сказати, магічні.)
Цей експеримент окреслив основні шляхи, хоча для того, щоб підтвердити факт телепортації, команді Цайлінгера довелося знищити телепортований фотон. Ця проблема була вирішена в складніших експериментах з телепортації, зроблених Джеффом Кімблом з Калтеха, Семюелем Браунштайном з Університету Уельсу в Бангорі та багатьма іншими.
Команда Юджина Польцика з Університету Аархуса в Данії досягла ще більшого успіху, "сплутавши" групи атомів, що знаходяться у різних місцях. "Припустимо, я хочу телепортувати матеріальний об'єкт, що містить деяку кількість атомів у певному квантовому стані, з Гоґвортсу до вас додому. Для цього мені доведеться підготувати таку кількість атомів у вас вдома, щоб ці атомні зразки увійшли в контакт. Цього нам вдалося досягти вперше, - каже Польцик. - Ми створимо такі атоми, направивши особливий промінь світла з Гоґвортсу до вас додому”.
Існує навіть квантове пояснення роздвоєння. "Передача половини чи спотвореного цілого – найімовірніший результат телепортації, оскільки її дуже важко здійснити точно", – пояснює Польцик.
Як би багатообіцяюче це не звучало, до будівництва чинноготелепортатора ще далеко. Вже ясно, що для переміщення Гаррі знадобляться дві "плутані" копії. Семюель Браунштайн підрахував, що для запису цієї інформації потрібно близько 10 32 біт (десять із тридцятьма одним нулем) інформації. Чи не в цьому криється секрет Летючого пороху?
Можливо, порох складається з квантових точок, кристалів кремнію розміром з молекулу, які майстерно упаковані величезні обсяги інформації. Грег Шнайдер з Університету Нотр-Дам провів для мене низку обчислень. Приймаючи одну точку за біт інформації, він отримав куб із гранню 98,2 метра. Таку кількість пороху буде важко взяти із собою.
Друге пояснення я попросив дати чарівника квантової телепортації Чарльза Беннета. Він сказав, що теоретично можна зберігати в атомі біт інформації. Великий алмаз - тривимірний масив атомів вуглецю - може зберігати інформацію, використовуючи ізотоп вуглецю-12 і вуглецю-13 для кожного положення атома в решітці. Допустимо, вуглець-12 буде відповідати одиниці, а вуглець-13 - нулю. Нехай ми здійснюємо класичну телепортацію, тобто достатньо вказати положення атомів тіла Гаррі, не знаючи всіх властивостей (квантових станів) кожного з них. Беннет підрахував, що для цього знадобиться алмаз вагою в сто разів важчий за Гаррі. Створення такого алмазу та зчитування з нього інформації є практично нездійсненним завданням.
На щастя, додає Беннет, хоча "в найближчому майбутньому це нездійсненно", не варто повністю списувати з рахунків телепортацію і чарівників, що зникають: "для цього просто потрібно створити поки що зовсім невідому технологію". Враховуючи факти, описані в книгах Дж. К. Роулінг, Беннет, його колеги з IBM та інші магли зроблять усе, щоб отримати хоч трохи Летючого пороху.