Біз өзімізді Жерден бір сәтте «сәуле» арқылы тасымалдай алмаспыз, бірақ кванттық телепортация есептеуіш технологиялардың жаңа дәуірін ашып жатыр. Бұл технология субатом әлемі туралы түсінігімізді түбегейлі өзгертпек.
Жин Лиуаң, Синьхуа/eyevine/Redux
Автор: Мэдди Стоун
Осыдан алпыс жыл бұрын «Жұлдызды жол» (Star Trek) хикаясы ғылыми фантастика тарихындағы ең танымал технологиялардың бірін – адамды бір жерден екінші жерге қас қағымда тасымалдайтын транспортерді таныстырды. Бастапқыда ғарыш кемесінің қону сәттерін визуалдауға кететін шығынды азайту үшін түсірілім тобы осындай шешім ойластырған еді. Кейінірек адамды «Энтерпрайз» кемесіне «сәуле арқылы жеткізіп», қайта алып кете алатын осы технология туындының басты нышанына айналды.
«Жұлдызды жолдағы» транспортер объектіні әуелі энергия ағынына айналдырып, оны межелі орынға жеткізеді, содан кейін сол жерде нысанды әрбір атомына дейін қайта құрастырып шығады. Телепортация тақырыбы мәдениет пен ғылымда «Жұлдызды жолға» дейін де ара-тұра кездесетін, дегенмен дәл осы фильмдегі транспортер көпшілік қиялына қозғау салып, мәдени символдар мен ұқсас технологиялардың пайда болуына жол ашты.
Ал кейінірек телепортация тіпті шындыққа айналды.
Осыдан отыз жыл бұрын бір топ физик өздерінің тың идеясына атау іздеп жүрді. Олар атомдар мен субатомдық бөлшектердің кванттық күйін ешқандай физикалық жанасусыз-ақ алыс қашықтыққа қаз-қалпында жеткізудің ерекше тәсілін ойлап тапқан еді. Мұндағы кванттық күй – атом не субатомдық бөлшек туралы ақпаратты сипаттайтын математикалық ұғым. Мәселен, электронның энергия деңгейі немесе фотонның поляризациясы соған жатады.
Ғылыми қиял-ғажайыптан шабыт алған ғалымдар осы құбылысқа «кванттық телепортация» деп ат қойды. Содан бері бұл идея теориялық болжам болудан қалып, тәжірибе жүзінде дәлелденген шындыққа айналды. Тоқсаныншы жылдардың соңына қарай жүргізілген алғашқы сынақтар кванттық күйлерді жақын жерге тасымалдауға болатынын көрсетсе, кейінгі зерттеулер бұл қашықтық барған сайын ұлғая беретінін дәлелдеді. Мәселен, 2017 жылы қытай ғалымдары мұндай байланыстың тіпті жердің төменгі орбитасына дейін жететінін паш етті. Зерттеушілер кванттық телепортацияны іске асыру үшін «кванттық шырмалу» (quantum entanglement) деп аталатын табиғи құбылыстың көмегіне жүгінді. Бұл – өте ұсақ бөлшектердің шексіз қашықта да бір-бірімен байланыста бола алатын қасиеті.
Айта кетерлігі, кванттық телепортация көркем шығармалардағы объектінің телепортациясынан мүлде бөлек. Кванттық телепортацияда ешқандай материя қозғалмай, кванттық күй ғана (яғни ақпарат) тасымалданады. Сарапшылардың айтуынша, бұл технология «Жұлдызды жолдағыдай» адамды сәуле арқылы тасымалдауға алып келмейді. Дегенмен ол субатом әлемі туралы түсінігімізді түбегейлі өзгертетін жаңа есептеу дәуіріне жол ашуы ғажап емес. Бұл өз кезегінде жаратылыс пен ғаламдағы бүкіл дүние атаулыны тереңірек түсінуімізге мүмкіндік бермек.
«Түптеп келгенде, табиғаттың бар болмысы квант заңдарына негізделген», – дейді IBM Quantum компаниясының бас ғылыми қызметкері Джейсон Оркатт. «Тіпті сіз өзіңіз де кванттық ақпарат саналасыз».
Кванттық телепортация күрделі мәселелердің түйінін тарқатуға көмектеседі
Күнделікті тұрмыста бізді қоршаған дүние классикалық физика деп аталатын бәрімізге таныс заңдылықтарға бағынады. Бірақ атомдар мен субатомдық бөлшектер деңгейіне түскенде, мүлде бөлек, ақылға сыймайтын ережелер жүйесі алға шығады. Бұл – кванттық физика әлемі. Мұнда бөлшектер нақты өлшенгенге дейін бір мезетте бірнеше күйде бола алады, ал нысандар шексіз қашықтықта тұрып-ақ бір-бірімен байланыс орната береді.
Кванттық әлемдегі мұндай құбылыстарды қарапайым қисынға салып түсіну қиын, тіпті бүгінгі қуатты компьютерлердің өзі оларды сипаттауға қауқарсыз. Кәдімгі компьютерлер деректі 0 немесе 1 түрінде кодталған «биттер» арқылы сақтап, өңдейді. Ал кванттық жүйенің күйі әрдайым осындай қарапайым бинар үлгіге сыймайды. Сондықтан мұнда деректерді кодтаудың басқа тәсілі қажет. Дәл осы тұста кванттық ақпарат бірлігі – кубиттер (qubits) ортаға шығады.
Кәдімгі биттер «иә» немесе «жоқ» (0 немесе 1) деген қатаң таңдауға негізделсе, кубиттердің табиғаты мүлде басқа. Олар өлшенген сәтке дейін осы екі күйді бір мезетте иелене алады. Ғылымда бұл таңғажайып құбылысты суперпозиция деп атайды. Бұған қоса, кубиттер бір-біріне «шырмалып» (кванттық шатасу күйіне еніп), өзара тығыз байланыс орнатады. Мұндайда бір бөлшекті өлшеу екінші бөлшектің нәтижесіне қас қағым сәтте әсер етеді. Кванттық компьютерлердің адам сенгісіз орасан зор қуаты дәл осы күрделі ақпарат алмасу процесіне негізделген.
«Классикалық есептеу арқылы шеше алмайтын, тіпті ғаламның жасындай уақыт кетсе де шешілмейтін аса күрделі мәселелер бар», – дейді Оркатт. Бірақ болашақта кванттық компьютерлер молекулалық әлемді, соның ішінде күрделі химиялық реакцияларды да таңғаларлық дәлдікпен модельдей алуы мүмкін. Бұл өндіріс саласын жақсартуға, мәселен, ауыл шаруашылығына қажет синтетикалық азотты аз энергия жұмсай отырып өндіруге немесе мүлде жаңа материалдар ойлап табуға мүмкіндік береді.
Коммерциялық кванттық компьютерлер қазірдің өзінде жоқ емес, әйткенмен олардың мүмкіндігі әлі де шектеулі. Қатені автоматты түрде түзететін әрі аса күрделі есептеулерді мүлтіксіз орындайтын ауқымды жүйелерді құру үшін ең алдымен кванттық ақпаратты тасымалдаудың тиімді жолдарын табу қажет. Алайда мұнда бір кедергі бар. «Кванттық күйді өлшеген сәтте сіз оны өзгертіп аласыз», – дейді кванттық коммуникация саласының зерттеушісі, кванттық коммуникацияның ауқымын кеңейтуді мақсат ететін QR.N зерттеу бағдарламасының мүшесі Симоне Порталупи. «Сондықтан кванттық ақпаратты айнытпай көшіру мүмкін емес».
Дәл осы себепті ақпарат алмасудың тың тәсілдері керек. Аталған олқылықтың орнын толтыру – кванттық телепортацияның басты міндеті. Ол материяның өзін қозғалтпай-ақ, оның кванттық күйін бір нүктеден екінші нүктеге қаз-қалпында жеткізуге мүмкіндік береді. Соның арқасында бір-бірінен алыс орналасқан компьютерлерді өзара байланыстырып, болашақта кванттық интернет құруымызға жол ашады.
Кванттық телепортация қалай жүзеге асады?
Кванттық шырмалу – табиғи құбылыс, бірақ оны жасанды түрде де тудыруға болады. Екі кванттық жүйе өзара шырмалған соң, олар бір-бірінен қаншалықты алыс болса да, күйлері бір-біріне тығыз тәуелді болады. Дәл осы қасиеті кванттық шырмалуды ақпарат тасымалдау мақсатында пайдалануға мүмкіндік береді.
Бұл процесті жақсырақ түсіну үшін Алиса және Боб есімді екі зерттеушінің классикалық мысалын алайық. Олардың әрқайсысында өзара шырмалған бөлшектер жұбының бір-бір сыңары бар. Алиса Бобқа тың ақпарат жібермек болады. Ол алдымен ақпарат жазылған арнайы «дерек кубитін» дайындап, содан кейін оны өзіндегі шырмалған бөлшекпен бір мезетте өлшейді. Ғылымда «Белл күйін өлшеу» (Bell-state measurement) деп аталатын бұл әрекет дерек кубитін әлгі екі бөлшекпен біртұтас байланысқа (шырмалуға) түсіреді. Нәтижесінде Алиса өз иелігіндегі екі кубиттің мүмкін болатын төрт күйдің қайсысына енгенін анықтайды. Дәл осы сәтте бастапқы дерек кубиті жойылып кетеді (мұның себебіне сәл кейінірек тоқталамыз).
Алисаның жүргізген өлшеуі жойылған дерек кубиті мен шырмалған бөлшектегі ақпаратты классикалық биттерге (яғни, бізге таныс нөлдер мен бірлерге – бинар жүйеге) айналдырады. Осыдан кейін ол алынған нәтижені Бобқа дәстүрлі байланыс арнасы арқылы хабарлайды.
Калгари университетінің кванттық ақпарат жөніндегі ғалымы Дэниел Облактың айтуынша, дәстүрлі байланысқа негізделген осы соңғы кезең аса маңызды. Ол бұл күрделі әрекетті ішінде «қарлы шар» кәдесыйы бар қорапты ашу жөніндегі нұсқаулықпен салыстырады (snow globe – еуропалықтар көбіне Рождество мейрамында сыйлайтын, сәндік бұйым ретінде қолданылатын, сілкігенде қар жауғандай әсер беретін, ішінде ертегідей көрінісі бар сұйықтық толтырылған мөлдір шыны шар – ред.). «Ойыншықтың нағыз бейнесін көру үшін оны дұрыс бағытта төңкеріп қою керек», – деп түсіндіреді ол.
Алисаның өлшеу нәтижесі Бобқа өзіндегі бөлшекке қандай кванттық амал қолдану керектігін нұсқайды. Бұл – Бобтың қолындағы «қорапты ашуға» көмектесетін нағыз кілт іспеттес. Осы нұсқаулықты орындаған сәтте Бобтың иелігіндегі кубит Алисаның бастапқы дерек кубитімен бірдей күйге енеді. Осылайша, кванттық ақпарат бір нүктеден екінші нүктеге толық тасымалданған болады.
Кванттық телепортацияның іргетасы 1993 жылы қаланған. Сол жылы жарық көрген ғылыми мақала әдіске теориялық негіз болды, көп ұзамай ол практикалық тәжірибелермен де нақтыланды. 2010 жылдарға қарай ғалымдар кванттық күйлердің түр-түрін, соның ішінде асқын өткізгіш тізбектердің күйлерін де телепортациялауды меңгерді. Сонымен қатар, кванттық күйлерді қалалар арасында, жерден – ғарышқа, ғарыштан – жерге дейінгі қашықтықтарда тасымалдауға болатыны дәлелденді.
Оркаттың айтуынша, бүгінде бұл сала жай ғана ғылым аясынан шығып, кванттық компьютерлерді өзара байланыстыру мен олардың ауқымын кеңейтуге қажетті инженерлік сатыға өтті.
Адамды телепортациялау мүмкін бе?
Кванттық телепортация болашақ кванттық компьютерлер үшін аса маңызды болғанымен, мамандардың пікірінше, бұл технологияның адамдарды ғарыш кемесіне сәуле арқылы тасымалдайтын құрылғының жасалуына алып келуі екіталай.
«Мұны «Жұлдызды жолмен» салыстыру қиын», – дейді кванттық коммуникацияны зерттеп жүрген докторант әрі QR.N жобасының мүшесі Тим Штробель. «Біз үшін бұл – затты немесе энергияны емес, кванттық күйлерді ғана тасымалдау».
Облактың пікірінше, адамды бір нүктеден екінші нүктеге телепортациялағыңыз келсе, оның денесін құрайтын әр атом мен бөлшек туралы кванттық ақпаратты түгел тасымалдауға тура келер еді. Іс мұнымен бітпейді: «Межелі жерде адам денесін қайта құрастыруға дайын тұрған орасан зор атом қоры болуы шарт. Содан кейін сол сансыз атомның әрқайсысына тиісті кванттық күйлер жеке-жеке «жүктелуі» керек, – дейді ол, – Мұндай технология бір күні шындыққа айналатынын елестетудің өзі өте қиын».
Бұдан бөлек, телепортацияның айналасында бұрыннан келе жатқан үлкен философиялық дау бар: тұтқиылдан пайда болған адам шынымен сол тұлғаның өзі ме, әлде жай ғана «көшірмесі» ме? Кванттық механикадағы «клондауға тыйым салу» теоремасына сәйкес (no-cloning theorem), белгісіз кванттық күйді айнытпай көшіріп алу мүмкін емес. Телепортация бұл шектеуді өзгеше жолмен айналып өтеді. Ол бастапқы кванттық күйді өлшеу барысында оны біржола жойып жібереді де, басқа жерде қайта құрастырады. Осылайша, кванттық деңгейде алсақ, телепортацияланған күйді жай ғана көшірме емес, сол бастапқы күйдің «дәл өзі» деп айтуға толық негіз бар.
Егер адамның болмысы – оның естеліктері, мінезі мен ішкі «мені» түптеп келгенде тек кванттық ақпараттан тұрса, онда теориялық тұрғыдан адамды да өзге нүктеге телепортациялауға болар еді. Бірақ адамның мәні ақпаратпен ғана шектелмесе ше? Онда сіз телепортация сәтінде өзіңізді құрбан етіп, өзге жерде жай ғана көшірмеңіздің өмір сүруіне жол ашқан боласыз.
«Мұның бәрі әзірге жорамал ғана, – дейді Оркатт, – Адамды, тіпті бір атомның өзін телепортациялау мүмкіндігі бүгінде тек ғылыми фантастиканың еншісінде. Сондықтан бұл сауалдарға берілетін кез келген жауап та сол қиял әлемінің шеңберінен шыға қойған жоқ».
