Дослідники створили квантовий канал для спілкування без фізичного носія

Феномен суперечливості у квантовій механіці пов’язаний з перенесенням квантового стану з одного місця в інше без руху будь-якої квантової або фізичної частинки. Група китайських дослідників вирішила реалізувати це явище на практиці, і їм це вдалося.

Квантовий канал

Цей суперечливий зв’язок вимагає існування певного квантового каналу між двома позиціями у просторі. Це також означає, що якщо якась квантова частинка перетне цей канал, уся система одразу втратить фіксований стан, і утвориться новий. Порушення відбувається через корпускулярно-хвильовий дуалізм, фундаментальний принцип квантової фізики, де кожна частинка може бути описана окремою хвильовою функцією.

Теоретичні пояснення явища суперечливості неодноразово з’являлись у наукових журналах та публікаціях, однак досі ніхто не брався за практичну реалізацію цього феномену.

Група китайських вчених нещодавно розробила та експериментально перевірила таку систему суперечливого зв’язку. Вони успішно біт за бітом передали невелике монохромне растрове зображення, об’ємом 1250 байт (10 кб), з одного місця в інше за допомогою адаптованого квантового ефекту Зенона.

Хитрість полягала у тому, щоби піддавати експериментальну систему постійним слабким вимірюванням. У цей момент і виникає ефект Зенона, який утримує всі метастабільні частинки від розпаду. Вони наче “заморожуються”, а фізики отримують впевненість, що система залишатиметься стабільною поки триває ефект. Це лише один з прикладів дуже не інтуїтивного явища, що трапляється у квантовому світі.

Пристрій комунікації без носія

У публікації йдеться про те, що автори дослідження досягли прямої передачі інформації через відстань 50 см без використання носія. Схема була наступна: два детектори одиничних фотонів встановили на виході останнього масиву розділювачів світла. Оскільки у системі підтримувався ефект Зенона, можна було передбачити, який з детекторів одиничних фотонів “клацне”, коли фотонам буде дозволено пройти повз. Додатково вчені встановили інтерферометри, щоби контролювати незмінність стану системи.

Схематичне зображення установки для створення квантового каналу. PNAS

Розмова Еліс з Бобом

У схемі китайських вчених приймач та передавач представлені двома компонентами: Бобом та Еліс. Завдання Еліс полягає у перенесенні одного фотона до встановленого інтерферометра. Рух фотона фіксують три детектори D0, D1 та Df. У випадку логічного “0” тільки Df фіксує фотон, а у внутрішньому колі Еліс відбувається інтерференція. “1” виникає тоді, коли на стороні Еліс не трапляється жодного клацання детектора, викликаного фотоном, що проходить крізь канал, оскільки сам канал з ефектом Зенона у цей час вже “зруйнований” (Боб також “знає” про це через хвильову функцію та детектор LCPM).

Після послідовної передачі всіх бітів інформації про зображення за допомогою “0” та “1” дослідники заново зібрали зображення – монохромний растр китайського вузла.

Растрове зображення китайського вузла розміром 10 000 байт, передане через квантовий канал з ефектом Зенона. В експерименті чорні пікселі визначались логічним “0”, а білі – “1”. PNAS

“У 1940-х роках була розроблена нова техніка – голографія, – щоби фіксувати не тільки інтенсивність світла, а й його фазу. Хтось може поставити питання: чи може сама фаза світла бути використана для створення зображення? Відповідь – так.”

– зазначають автори публікації.

В експерименті носієм інформації стала сама фаза світла, реальна хвильова функція. Фізичний квант світла з певною амплітудою (інтенсивністю) виявився зовсім непотрібним.

Нова технологія може використовуватись не тільки для прямого обміну інформацією, але й для фотографування важливих артефактів, яким може зашкодити світло.