Портключи и аппарирование

Персонажи книг о Гарри Поттере владеют еще одним способом перемещений в волшебном мире. Это дезаппарирование и аппарирование: исчезновение в одном месте и почти мгновенное появление в другом. Для этого сначала надо получить лицензию в Департаменте волшебных средств передвижения, что отражает страх волшебников перед неправильным аппарированием, в результате которого можно распасться на две половины.

Для тех, кто не умеет аппарировать (аппарирование, кстати, невозможно в пределах Хогвартса) или боится раздвоения, существуют портключи. Гарри рассказывает, как он путешествовал в потоке ветра и водовороте цвета. Вполне безобидный предмет - газета, банка, резинка или футбольный мяч - может перенести мага из одного места в другое за установленное время. (Портключи, впрочем, могут быть и необычными предметами, так, например, портключом оказался Трехмаговый кубок.)

А что, если портключи и аппарирование используют тот же принцип транспортировки, с помощью которого капитан Кирк высвечивался со звездного корабля "Энтерпрайз" на незнакомые планеты? Эта линия развития, когда-то отвергнутая как невозможная, стала рассматриваться всерьез в 1993 году, когда шестеро ученых подтвердили, что квантовая телепортация осуществима. Спустя несколько лет другие ученые реализовали это на практике в нескольких лабораториях по всему миру.

У телепортации давняя родословная в науке. Она зародилась как часть интеллектуального спора между двумя большими друзьями и гигантами науки, Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором, отцом атомной физики из Дании. Спор возник из-за квантовой теории, которую Эйнштейн не любил ввиду ее почти магических свойств. В самом деле, нижеследующие рассуждения могут поставить в тупик, но это типично для всей теории в целом. Как будет видно из последней главы, она потрясающе хорошо дает верные ответы и удручающе плохо рисует понятную картину мира.

В 1935 году Эйнштейн обозначил одну из этих загадок в эксперименте, проведенном совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном. Они первыми указали на то, что квантовая теория применима не только к отдельным атомам, но и к молекулам, состоящим из многих атомов. Например, молекула в теле Гарри, содержащая два атома, может быть описана математическим уравнением волновой функции. Эйнштейн понял, что если эти два атома разделить, они по-прежнему будут описываться одной волновой функцией. На научном жаргоне такие состояния атомов называются "спутанными".

Это привело к странным последствиям: свойства частицы определяются только в момент измерения, поэтому, если вы измеряете одно из свойств "спутанного" атома, состояние другого немедленно изменится. Измерение одного из атомных партнеров определяет свойства другого, даже если он находится на другом краю Вселенной. Это "прямое взаимодействие между частицами", очевидно, нарушало теорию относительности Эйнштейна, согласно которой ничто, даже информация, не может перемещаться быстрее света.

Исследование этого парадокса технологиями 1930-х годов было невозможно. Но сорок лет спустя выяснилось, что и здравый смысл, и Эйнштейн были не правы. Взаимодействие на расстоянии, которого так испугался Эйнштейн, на самом деле происходит, и именно этот момент квантовой теории использует телепортация.

Спутанность позволяет любому, кто вздумает провести телепортацию, уйти от ключевой проблемы, которая заключается в том, знаете ли вы в точности, что именно хотите телепортировать. Чтобы составить инструкцию исчезновения Гарри и его воссоздания в Косом переулке, потребуется знать свойства ("атомные состояния", определяемые волновой функцией) всех атомов тела Гарри, такие как их энергия и положение. Квантовая теория, однако, говорит нам, что эта попытка приведет к информационному хаосу и сделает телепортацию невозможной вследствие принципа неопределенности, согласно которому чем более точно вы измерите положение частицы, тем меньше будете знать о ее скорости. (Квантовая механика загадочна еще и тем, что не позволяет вычислить волновую функцию даже для одной частицы; так что без множества ее копий вы никогда не узнаете о ней столько, чтобы составить инструкцию.)

Казалось бы, это сводит на нет все попытки составить атомную опись тела Гарри. В прошлом десятилетии Чарльз Беннет из компании IBM и другие специалисты строили теории о том, как спутанность может решить эту проблему. Они выяснили, что пара спутанных атомов создает эффект "квантовой телефонной линии", которая "телепортирует" свойства (атомное состояние) одного фотона другому на любое расстояние, даже не зная его состояния. Это открыло возможность телепортировать данные атомов - и даже всего Гарри Поттера.

Объектом первой телепортации стала частица света - фотон. Команда ученых под руководством Антона Цайлингера, проведя эксперимент в Университете Инсбрука, смогла телепортировать не всю частицу целиком, а лишь ее квантовое состояние - свойство под названием "поляризация" (наблюдаемое в повседневной жизни, когда, например, световые волны одинаковой поляризации проходят сквозь солнечные очки).

Сначала они создали спутанную пару фотонов, направив лазерный луч на определенный тип кристалла. Во время телепортации начальный фотон (состояние поляризации которого предполагалось телепортировать) и один из фотонов в спутанной паре подверглись измерению. Это измерение, в свою очередь, связало начальный фотон со вторым, который все еще был связан со своим первым партнером. В результате второй фотон из начальной спутанной пары, находящийся на другом конце лаборатории Цайлингера, поляризовался так же, как и первый фотон, словно по квантовому подключению. Таким образом квантовое состояние было передано от одного фотона к другому.

Если бы пришлось таким же путем телепортировать Гарри, понадобился бы его "клон" (конструктор для сборки Гарри, если хотите), связанный со вторым "клоном" в системе. "Они словно близнецы, у которых еще нет цвета волос, - говорит Цайлингер, ныне работающий в Университете Вены, - но если цвет волос появится у одного из них, то же самое произойдет и со вторым". Обратите внимание, что "спутанность" - это не совсем то взаимодействие на расстоянии, о котором говорил Эйнштейн. Если один из близнецов Гарри окрасит волосы в красный цвет, волосы другого останутся прежнего цвета. (Если все это кажется трудным для понимания, я вынужден сообщить вам, что детали этого вопроса, например применение "неклонирующей теоремы", еще более пугающие, сложные и, осмелюсь сказать, магические.)

Этот эксперимент обозначил основные пути, хотя для того, чтобы подтвердить факт телепортации, команде Цайлингера пришлось уничтожить телепортированный фотон. Эта проблема была решена в более сложных экспериментах по телепортации, предпринятых Джеффом Кимблом из Калтеха, Сэмюэлем Браунштайном из Университета Уэльса в Бангоре и многими другими.

Команда Юджина Польцика из Университета Аархуса в Дании добилась еще большего успеха, "спутав" группы атомов, находящихся в разных местах. "Предположим, я хочу телепортировать материальный объект, содержащий некоторое количество атомов в определенном квантовом состоянии, из Хогвартса к вам домой. Для этого мне придется подготовить такое число атомов у вас дома, чтобы эти атомные образцы вошли в контакт. Этого нам удалось достичь впервые, - говорит Польцик. - Мы создадим такие атомы, направив особый луч света из Хогвартса к вам домой".

Существует даже квантовое объяснение раздвоения. "Передача половины или искаженного целого - наиболее вероятный исход телепортации, поскольку ее очень трудно осуществить точно", - объясняет Польцик.

Как бы многообещающе это ни звучало, до постройки действующего телепортатора еще далеко. Уже ясно, что для перемещения Гарри потребуются две "спутанные" копии. Сэмюэль Браунштайн подсчитал, что для записи этой информации нужно около 10³² бит (десять с тридцатью одним нулем) информации. Не в этом ли кроется секрет Летучего пороха?

Возможно, порох состоит из квантовых точек, кристаллов кремния размером с молекулу, в которые искусно упакованы огромные объемы информации. Грег Шнайдер из Университета Нотр-Дам провел для меня ряд вычислений. Принимая одну точку за бит информации, он получил куб с гранью в 98,2 метра. Такое количество пороха будет трудно взять с собой.

Второе объяснение я попросил дать волшебника квантовой телепортации Чарльза Беннета. Он сказал, что теоретически возможно хранить в атоме бит информации. Большой алмаз - трехмерный массив атомов углерода - может хранить информацию, используя изотоп углерода-12 и углерода-13 для каждого положения атома в атомной решетке. Допустим, углерод-12 будет соответствовать единице, а углерод-13 - нулю. Пускай мы осуществляем классическую телепортацию, то есть нам достаточно указать положения атомов тела Гарри, не зная всех свойств (квантовых состояний) каждого из них. Беннет подсчитал, что для этого понадобится алмаз весом в сто раз тяжелее Гарри. Создание такого алмаза и считывание с него информации является практически невыполнимой задачей.

К счастью, добавляет Беннет, хотя "в ближайшем будущем это неосуществимо", не стоит полностью списывать со счетов телепортацию и исчезающих волшебников: "для этого просто потребуется создать пока совершенно неизвестную технологию". Учитывая факты, описанные в книгах Дж. К. Роулинг, Беннет, его коллеги из IBM и прочие маглы сделают все, чтобы заполучить хоть немного Летучего пороха.

Роджер Хайфилд

Проза жизни • "Гарри Поттер" и наука: Настоящее волшебство