Ничто не связывает: Квантовый парадокс Зенона в действии

Группа исследователей из Саудовской Аравии и США утверждает, что с помощью довольно сложных, но все же принципиально реализуемых оптических приборов можно обмениваться информацией, не передав между отправителем и получателем сообщения ни одного фотона.
15
26275
  • Система светоделителей и зеркал формирует ромбовидные траектории фотона. Светоделители (BS) отражают либо пропускают фотон. В зависимости от выбора Боба — включать или не включать детектор — фотон попадает на детектор Алисы D1 или D2. Впрочем, не исключено, что фотон окажется на детекторе Боба (D4, на рисунке не показан). Чтобы снизить эту вероятность, добавлены дополнительные зеркальные «петли».
    Система светоделителей и зеркал формирует ромбовидные траектории фотона. Светоделители (BS) отражают либо пропускают фотон. В зависимости от выбора Боба — включать или не включать детектор — фотон попадает на детектор Алисы D1 или D2. Впрочем, не исключено, что фотон окажется на детекторе Боба (D4, на рисунке не показан). Чтобы снизить эту вероятность, добавлены дополнительные зеркальные «петли».
  • Схема лабораторной установки S — источник фотонов, C — оптический циркулятор, D1, D2, D3, D4 — детекторы, PBS — светоделители, отражающие только фотоны с вертикальной поляризацией, SPR — устройство поворота плоскости поляризации, SM и RM — поворотное и обычное зеркала, OD- оптический элемент задержки, PC — ячейка Поккельса.
    Схема лабораторной установки S — источник фотонов, C — оптический циркулятор, D1, D2, D3, D4 — детекторы, PBS — светоделители, отражающие только фотоны с вертикальной поляризацией, SPR — устройство поворота плоскости поляризации, SM и RM — поворотное и обычное зеркала, OD- оптический элемент задержки, PC — ячейка Поккельса.

Работа основана на концепции бесконтактных измерений, которую в 1993 году предложили израильские физики Авшалом Элицур и Лев Вайдман. Она предполагает возможность обнаружения объекта с помощью света, но без фактического отражения фотонов. Благодаря корпускулярно-волновому дуализму фотон «узнаёт», что объект, преграждающий один из двух путей внутри интерферометра, может нарушить интерференционную картину в этом устройстве, хотя непосредственно в контакт с этим объектом фотон не вступает. Данная гипотеза впоследствии была подтверждена экспериментально и использована для создания квантово-механического ключа для кодирования и декодирования секретных сообщений.

Теперь физики решили выяснить, можно ли передавать методом бесконтактных изменений не только ключи, но и сами сообщения. В основу предложенного ими устройства лег квантовый эффект Зенона — метрологический парадокс квантовой механики, гласящий, что состояние квантовой системы зависит от того, проводятся ли над ней какие-либо измерения. Слишком частые наблюдения могут препятствовать изменению квантового состояния системы, постоянно возвращая её к отправной точке. «Если неотрывно смотреть на чайник, он никогда не закипит».

В системе, разработанной учеными, используется серия светоделителей с высокой отражающей способностью. Дальше не обойтись без помощи любимых персонажей квантовых физиков — Алисы (А) и Боба (Б), — помогающих объяснить устройство самых запутанных (в том числе и квантово запутанных) систем. Итак, Алиса направляет фотон на первый светоделитель, а у Боба есть детектор, который он может включить, чтобы обнаружить фотон. А может и не включать. Пока детектор выключен, фотон существует в суперпозиции двух возможных состояний: он может как отразиться от светоделителя, так и пройти сквозь него. Но стоит Бобу включить детектор, как фотон вынужден определиться: либо отражаться, либо проходить насквозь.

В точке, где оба возможных пути снова сходятся, расположен второй светоделитель — а за ним еще один детектор, вспомогательный. С помощью пары зеркал формируются замкнутые ромбовидные петли, по которым может путешествовать фотон, так или иначе возвращаясь к Алисе. Причем «так» он возвращается, когда детектор Боба включен, а «иначе» — когда он выключен. Если оба детектора (вспомогательный и на стороне Боба) работают, начинает действовать эффект Зенона, волновая функция фотона упорно стремится к отраженному состоянию — и его улавливает первый детектор на стороне Алисы. А если детектор Боба выключен, самоинтерференция фотона подгоняет его в сторону второго детектора Алисы. Таким образом, Алиса может узнать, включен ли детектор Боба, получив эту информацию без фактического обмена частицами между ней и Бобом.

Впрочем, существует и вероятность того, что фотон все-таки попадет в детектор Боба, нарушив весь хитроумный замысел разработчиков. Чтобы минимизировать эту вероятность, ученые увеличили количество зеркал в системе (и ромбовидных петель, которые должен пройти фотон). «Цепной эффект Зенона», имеющий шанс многократно вмешаться в поведение фотона, с большей вероятностью позволяет направить его на один из детекторов Алисы. Предельный случай — бесконечное число петель в этом зеркальном лабиринте — гарантировал бы 100%-ную надежность системы. Устройство с 50 первичными и 1000 вторичными петлями обеспечит 95%-ную вероятность передачи информации без обмена частицами. Но на сегодняшнем уровне развития технологий исследователям пришлось довольствоваться лабораторной установкой, работающей с 70−80%-ной надежностью.

Вероятно, когда-нибудь подобная система может быть использована для создания безопасных каналов передачи информации, но о коммерческой реализации говорить пока рано — слишком высока сложность устройства.

По публикации Physicsworld, Arxiv

Комментарии

15 комментариев