Предложен способ практичной квантовой телепортации энергии

Александр Березин — 28 января 2014 года, 13:01

Японские физики провели расчёты, которые доказывают, что посредством квантовой телепортации можно передавать энергию на большие расстояния.

Квантовая телепортация, несмотря на название, не подразумевает мгновенный перенос на расстояние, ибо она обязательно требует классического (не сверхсветового) канала связи. Тем не менее квантовое состояние при этом передаётся, и концепция трансляции энергии таким образом появилась отнюдь не сегодня, однако расчёты показывали, что возможность такой передачи должна быстро убывать с дистанцией. Следовательно, если отправка состояний атомов реализована для расстояний свыше 100 км, то с энергией, которую теория Масахиро Хотта (Masahiro Hotta) от 2008 года всё же позволяет телепортировать, так не получалось.

Сжатые вакуумные состояния между Алисой и Бобом позволят наконец-то реализовать квантовую телепортацию энергии на разумные расстояния. (Иллюстрация iStockphoto / agsandrew.)


Впрочем, стоп. Состояния атомов — это прекрасно, но как с их помощью можно передать энергию? Г-н Хотта весьма изобретателен, и в его схеме Алиса (частица А) по классическому каналу связи передаёт Бобу (частице Б) информацию о том, что ему нужно извлечь энергию из вакуума (на которой основан экспериментально подтверждённый эффект Казимира).

Идея Масахиро Хотты заключается в том, что поскольку близлежащие точки в квантовом вакууме являются квантово запутанными, а Алиса и Боб близки друг к другу, то Алиса способна измерить «своё» локальное поле и использовать результаты этих вычислений, чтобы получить информацию о локальном поле Боба. Если затем эта информация будет посла Бобу по классическому каналу связи, он сможет использовать её для разработки стратегии извлечения энергии из своего локального поля. При этом энергия, которую он добудет из вакуума, всегда будет меньше той, которую Алиса потратила на проведение первоначальных измерений. То есть термодинамика остаётся в своём праве, а Алиса может «телепортировать» энергию Бобу в форме данных, которые затем позволят ему извлекать энергию из вакуума.

Однако степень квантовой запутанности между локальными полями Боба и Алисы быстро снижается с ростом дистанции между ними. Боб может восстановить энергию, потраченную Алисой, обратно пропорционально шестой степени расстояния между ними, то есть телепортация энергии на сколько-нибудь значительное расстояние потребует затрат, сопоставимых с общепланетной генерацией электричества за год.



Теперь г-н Хотта и его коллеги по Университету Тохоку (Япония), кажется, нашли обходной путь решения этой проблемы. Они предлагают использовать сжатые вакуумные состояния. Последние идентичны нормальным квантовым состояниям, кроме одной маленькой детали: область непосредственно между Алисой и Бобом имеет энергетическую плотность много выше, чем во всех остальных регионах. В итоге квантовое запутывание там можно поддерживать на значительно большем расстоянии, чем в нормальной ситуации.

Сам собой возникает вопрос: как столь сжатые состояния можно создать в лаборатории для больших дистанций? Авторы считают, что здесь пригодится квантовый эффект Холла, возникающий в тонких пластинах полупроводников (желательно одноатомных, типа фосфорена), на которые воздействуют сильным магнитным полем. Тогда электроны в них текут беспрепятственно в одном направлении вдоль края такого двумерного полупроводникового листа, что позволяет получить канал квантовой корреляции, где имеет место квантовая запутанность — в общем, со сжатым состоянием вакуума вроде бы всё ясно. Г-н Хотта и его сотрудники как раз работают над экспериментальной реализацией этой схемы.

Но, подчёркивает учёный, для нашего биологического вида его опыты будут пионерскими. Ранее в истории Вселенной, когда она подверглась быстрому расширению почти сразу после Большого взрыва (инфляции), в ней должны были возникать сжатые вакуумные состояния, сопровождающиеся квантовой телепортацией, предположительно, значимых количеств энергии.

Иллюстрация Physicsworld.Com.


Может показаться, что работа Масахиро Хотты хотя и важна для теоретической квантовой механики, не слишком полезна для практической реализации новой электроники. Да, для создания квантовых состояний придётся тратить энергию, а потому пока не очень ясно, насколько практична (и энергозатратна) будет квантовая телепортация энергии в квантовых компьютерах. Но прежде чем такая телепортация станет явью в эксперименте, судить об этом весьма затруднительно, а потому отметать с порога практический потенциал такого вида передачи энергии сейчас не стоит.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review A, а его препринт доступен здесь.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.