Quantum Teleportation: Science Fiction or Reality

Министерство образования Российской Федерации Архангельский государственный технический университет КАФЕДРА ИНОСТРАННЫХ ЯЗЫКОВ Quantum Teleportation Science Fiction or Reality Quantum Teleportation Science Fiction or Reality Teleportation is the name given by science fiction writers to the phenomenon of making an object or person to disappear in one place while a perfect replica appears somewhere else.

How this is performed is usually not explained in detail, but the general idea seems to be that the original object is scanned in such a way as to extract all the information from it, then this information is transmitted to the receiving location and used to construct the replica, not necessarily from the actual material of the original, but perhaps from atoms of the same kinds, arranged in exactly the same pattern as the original. A teleportation machine would be like a fax machine, except that it would work

in 3 dimensions as well as documents, it would produce an exact copy rather than approximate facsimile, and it would destroy the original in the process of scanning it. A few science fiction writers consider teleporters that preserves the original, and the plot gets complicated when the original and the teleported versions of the same person meet but the more common kind of teleporter destroys the original, functioning as a super transportation device, not as a perfect replicator of

souls and bodies. In 1993 an international group of six scientists, including IBM Fellow Charles H. Bennet, confirmed the institutions of the majority of science fiction writers by showing that perfect teleportation is indeed possible in principle, but only if the original is destroyed. Meanwhile, other scientists are planning experiments to demonstrate teleportation in microscopic objects, such as single atoms or photons, in the next few years.

But science fiction fans will be disappointed to learn that no one expects to be able to teleport people or other macroscopic objects in the foreseeable future, for a variety of engineering reasons, even though it would not violate any fundamental law to do so. Until recently, teleportation was not taken seriously by scientists, because it was thought to violate the uncertainty principle of quantum mechanics, which forbids any measuring or scanning process from

extracting all the information in atom or other object. According to the uncertainty principle, the more accurately an object is scanned, the more it is disturbed by the scanning process, until one reaches a point where the object s original state has been completely disrupted, still without having extracted enough information to make a perfect replica. This sounds like a solid argument against teleportation if one cannot extract enough information from

an object to make a perfect copy, it would seem that a perfect copy cannot be made. Bennett and his co-workers found a way for an imaginery character called Alice to teleport a particle to her friend Bob, some distance away. What happens is that Bob creates a particle in exactly the same state as Alices original particle - even though Alice never knew what that state was.

Suppose Alice and Bob wanted to copy a photon. Alice cant just measure her photon and send the results to Bob, because that would destroy some of the information Bob needs. But the magic of teleportation comes from the fact that under certain, carefully constructed circumstances, two photons become entangled changes of one instantly affect the other, even if they re separated far apart. Entanglement means that if you tickle one the other one laughs.

This paradoxical feature of quantum mechanics is known as the Einstein-Podolsky-Rosen effect. Now Alice has an unmeasured photon that she wants to teleport to Bob. First, she creates a pair of linked entangled photons, keeping one with her while sending the other to Bob. She then arranges for her unmeasured photon to interact with her entangle photon, measures the result of that interaction, and sends the answer on to

Bob the old-fashioned way - by phone, e-mail, fax or carrier pigeon. Bob receives Alices message, and depending on what it says, performs some prearranged operation on his entangled photon. At the end of this procedure, Bobs photon has become an exact replica of Alices original unmeasured photon. The quantum state of that photon - although not the photon itself - has been teleported from

Alice to Bob. Not surprisingly, this is an extremely tricky experiment to get right. The measurement that Alice makes on the unknown photon and her entangled photon must be carefully designed and executed. The pair of entangled photons is to remain absolutely untouched by any unwanted external interaction. If either photon were to bump into a stray atom somewhere along the way, for instance, that would destroy their connection. But last year two teams of scientists, one at the

University of Innsbruck and the other at the University of Rome, managed to teleport a photon from one side of their lab to another, anyway. There are a few interesting things to say about this process. First, Alice has to send Bob the results of her measurements by a standard, slower-than-light means, so even though the quantum information is instantaneous, the other part is not.

Quantum teleporting cant happen faster than light, something Einstein would be pleased to learn. Second, Alices measurement destroys the quantum state of her original photon. Third, neither Alice nor Bob will ever actually know what that original quantum state was. Directly measuring a quantum state will always destroy information about it in an unpredictable way. But what does all of this mean for Star Trek movie-style teleportation, where an entire person is transported

from one place to another Certain difficulties spring to mind. To teleport a collection of atoms, rather than just a single photon, the Einstein-Podolsky-Rosen channel of communication has to transmit not just one item of quantum information but a whole package of it. This requires not just a large number of individual entangled pairs, which would be bad enough, but a single entangled complex encompassing a huge number of particles.

It would be well nigh impossible to construct such a state, let alone send it off into the ether without destroying its integrity. And thats not at all. To teleport a Jean-Luc Picard, you would have to send a complete specification of the collective quantum state of every last electron and atom in his body - all in an instant. A tall order. Alice would have to devise a single, instantaneous measurement that would ensnare all

this information at once, and Bob would have to perform a similarly complex reconstruction at the other end. And suppose you destroy a Jean-Luc Picards quantum representation in one place and re-create it in another. Would the reconstruction be, in every respect, the same man Would it act as the original would have acted Thats for you to figure out In recent years, there have been remarkable theoretical studies on the capabilities of quantum mechanics,

on the processing and distribution of information. In future society will be using quantum information in a number of ways to develop quantum computers and quantum telecommunications systems that will overcome limitations set by classical physics. Currently, companies such as Hewlett-Packard and IBM are investing in this research, and exploring ways in which quantum mechanics may provide the key to the future of communications.

And in principle, teleportation could be used to send information to create replicas of objects, not just light beams. Researchers are already looking to teleport atoms. Квантовая телепортация научная фантастика или реальность Телепортация это название, данное писателями-фантастами, явлению исчезновения объекта или человека в одном месте, в то время как его точная копия появляется где-то ещ.

Как это выполняется обычно не описывается подробно, но основная идея, кажется, заключается в следующем оригинал сканируется так, чтоб извлечь из него всю информацию, которая затем предается к месту получения для того, чтобы выстроить точную копию, причм не обязательно из того же материала, что и оригинал, но, возможно, из атомов того же вида, устроенных точно в том же порядке. Машина для телепортации была бы как факс, за исключением того, что она работала бы в трех измерениях

так же как и с документами, но она будет производить скорее точную копию, чем приблизительное факсимиле, и уничтожала бы оригинал в процессе его сканирования. Некоторые писатели научной фантастики пишут про телепортеры, которые сохраняют оригинал, и сюжет усложняется, когда настоящий человек встречается со своей телепортированной версией но более простой вид телепортеров уничтожает оригинал, функционируя как превосходное устройство транспортирования, а не как совершенный

копировальщик душ и тел. В 1993 международная группа из шести ученых, включая стипендианта IBM Чарльза Х. Беннета, убедила организации большинства авторов научной фантастики показав, что в принципе совершенная телепортация действительно возможна, но только, если оригинал уничтожается. Тем временем, другие ученые планируют эксперименты, которые продемонстрируют телепортацию микроскопических объектов, таких как отдельные атомы или фотоны в ближайшие годы.

Но любители научной фантастики будут разочарованы, узнав, что никто не ожидает возможности телепортировать людей или другие макроскопические объекты в обозримом будущем, из-за разнообразия технических причин, даже если это не нарушило бы никакой фундаментальный закон. До недавнего времени, ученые телепортацию не принимали всерьез, т.к. считалось, что она нарушает принцип неопределенности квантовой механики, который запрещает какое-либо измерение или процесс сканирования

для извлечения всей информации из атома или другого объекта. Согласно принципу неопределенности, чем точнее объект сканируется, тем больше он искажается процессом сканирования, до тех пор, пока не достигается точка, где первоначальное состояние объекта полностью разрушается, все же не получив достаточно информации, чтобы сделать совершенно точную копию. Это звучит как солидный аргумент против телепортации если нельзя извлечь достаточно информации из объекта

для создания точной копии, казалось бы, что совершенная копия не может быть сделана. Беннетт и его сотрудники нашли путь для вымышленного персонажа по имени Элис телепортировать какую-либо частицу к ее другу Бобу на некотором расстоянии. Этот путь заключается в том, что Боб создает частицу точно в таком же состоянии как первоначальная частица

Элис - даже притом, что Элис никогда не знала, каково это состояние было. Предположим, Элис и Боб хотели копировать фотон. Элис не может просто измерить свой фотон и послать результаты Бобу, потому что это уничтожило бы часть информации, которая нужна Бобу. Но волшебство телепортации исходит из факта, что при определенных, тщательно построенных условиях, два фотона становятся связанными изменения одного немедленно влияют на другой, даже если они находятся

далеко друг от друга. Связанность означает что, если Вы щекочете один, второй смеется. Эта парадоксальная особенность квантовой механики известна как эффект Эйнштейна-Подольского-Розена. Теперь у Элис есть неизмеренный фотон, который она хочет телепортировать к Бобу. Сначала, она создает пару связанных фотонов, храня один при себе, а второй отправляя Бобу. Затем она принимает меры, чтобы ее неизмеренный фотон взаимодействовал с е связанным фотоном,

измеряет результат этого взаимодействия, и посылает ответ Бобу старомодным способом - по телефону, по электронной почте, факсу или почтовым голубем. Боб получает сообщение Элис, и в зависимости от его содержания, проводит некоторое заранее приготовленное действие с его запутанным фотоном. В конце этой процедуры, фотон Боба стал точной копией неизмеренного первоначального фотона

Элис. Квантовое состояние этого фотона - хотя и не сам фотон - было телепортировано от Элис к Бобу. Не удивительно, это чрезвычайно хитрый эксперимент, чтобы он удался. Измерение, которое Элис проводит на неизвестном фотоне и ее запутанном фотоне, должно быть тщательно разработано и выполнено. Пара связанных фотонов должна остаться абсолютно нетронутой любым нежелательным внешним взаимодействием. Например, если бы один из этих фотонов натолкнулся бы на случайный атом где-

нибудь по пути, то это уничтожило бы их связь. Но в прошлом году двум командам ученых, одной в Университете Иннсбрука и другой в Университете Рима, удалось телепортировать фотон, так или иначе, от одной стороны их лаборатории к другой. Стоит заметить несколько интересных вещей в этом процессе. Сначала, Элис должна послать Бобу результаты ее измерений стандартным способом, т.е. они пойдут медленнее, чем свет. Так, даже если квантовая информация мгновенна, то другая часть - нет.

Квантовая телепортация не может происходить быстрее, чем свет, что было бы приятно узнать Эйнштейну. Во вторых, измерение Элис уничтожает первоначальное квантовое состояние ее фотона. В третьих, ни Элис, ни Боб никогда не узнают, какое то первоначальное квантовое состояние было. Прямое измерение квантового состояния будет всегда уничтожать информацию о нем непредсказуемым способом. Но что все это значит для телепортации в стиле фильма

Star Trek, где целый человек транспортируется от одного места до другого Определенные трудности приходят на ум. Чтобы телепортировать скопление атомов, а не единственный фотон, канал связи Эйнштейна-Подольского-Розена должен передать не один пучок квантовой информации, а целый пакет. Это требует не только большого количества индивидуально запутанных пар, что было бы достаточно плохо, но отдельный запутанный комплекс, заключающий огромное число частиц.

Было бы почти невозможно сконструировать такой комплекс, не говоря уже о том, чтобы послать его в эфир без уничтожения его целостности. И это ещ не все. Чтобы телепортировать Жан-Люка Пикарда, вы были бы должны послать полную спецификацию целостного квантового состояния каждого электрона и атома в его теле - все за один момент. Трудная задача. Элис была бы должна изобрести единственное, мгновенное измерение, которое поймает в

ловушку всю эту информацию сразу, и Боб был бы должен исполнить подобно сложную реконструкцию на другом конце. И предположите, что вы уничтожаете квантовое представление Жан-Люка Пикарда в одном месте и воссоздаете его в другом. Был бы после реконструкции, во всех отношениях, тот же самый человек Вел бы он себя так же, как оригинал Это вам для размышления

За недавние годы были проведены замечательные теоретические учения о способностях квантовой механики в обработке и распределении информации. В будущем общество будет использовать квантовую информацию разными способами, чтобы развить квантовые компьютеры и квантовые системы телекоммуникаций, которые преодолеют ограничения, наложенные классической физикой. В настоящее время, такие компании как Hewlett-Packard и IBM вкладывают капитал в такие исследования, и исследуют пути, которыми квантовая

механика может обеспечить ключ к будущему коммуникаций. И в принципе, телепортация могла бы использоваться, чтобы послать информацию для создания точных копий объектов, не только световых лучей. Исследователи уже работают над телепортированием атома. Sources - www.research.ibm.comquantuminfoteleporta tion - www.abcnews.comsectionsscienceDailyNewst eleport981022.html - www.newscientist.comhottopicsquantumfrom heretothere.jsp