Ничто не связывает: Квантовый парадокс Зенона в действии
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