Квантовая сцепленность, информация и сигнал

Издавна мы передаем сигналы при помощи различных носителей информации. Мы использовали сигнальные костры, барабаны, голубей, электричество. И в итоге опять пришли к свету — к передаче информации по оптике. А теперь изучаем сцепленные фотоны. Все мы знаем, что напрямую через квантовую сцепленность передать можно ключ, но не иную информацию. А если не напрямую, но при помощи? Кому интересно, добро пожаловать под кат.

Квантовая сцепленность


Для начала попробую пояснить эффект квантовой сцепленности:

Есть пара носков. Каждый носок из пары сразу после момента создания сцепленности помещен в отдельный ящик и отправлен своему адресату. В момент, когда один из адресатов открывает посылку, он видит правый (или левый) носок и тут же получает информацию о том, какой носок у второго адресата, как бы далеко тот ни находился. Причем заранее точно предсказать, будет ли носок правый или левый, невозможно. А самое главное, что и делает квантовую физику столь отличной от физики классической: пока носки не открыли, они и сами «не знают», какой правый, а какой левый. Но как только один из носков подвергся наблюдению и «определился», второй в тот же момент обретает строго противоположное свойство. Более подробно, с доказательством, можно узнать по запросу «Теорема Белла».

Как видим, передать осмысленную информацию напрямую через это свойство невозможно. Но есть обходной путь.

Принцип передачи носителя информации и сигнала


Итак, квантовому спутнику связи QUESS удалось передать запутанные фотоны между парами обсерваторий, находившихся на расстоянии до 1203 километров. Ученые подтвердили соотношение: одно событие успешной передачи на шесть миллионов отправленных фотонных пар. Соотношение сигнал/шум, казалось бы, не вызывает оптимизма, однако сам факт успешности передачи переводит задачу работы с подобным носителем информации из невозможных в инженерную задачу борьбы избыточности и шума.

Надеюсь, со временем мы придумаем много способов использовать квантовую сцепленность. Опишу один из, по-моему, возможных.

Первый этап: устройство разделяет сцепленные пары и передает на вышки «А» (будущий условно передатчик) и «В» (будущий условно приемник) на хранение запутанные фотоны последовательной цепочкой. Носитель информации передан.

Второй этап: вышка «А» проводит измерение (наблюдение) первого фотона в цепочке, определяя момент начала передачи сообщения, запускает таймер «Т», за время которого проводит измерение тех фотонов в цепочке, которые будут условными единицами и не затрагивает те фотоны, которые будут условным нулем; посредством слабого измерения аппаратура вышки «В» определяет изменение состояния первого фотона и запускает таймер «Т».

Третий этап: по окончании заданного времени «Т» аппаратура вышки «В» фиксирует состояние фотонов в цепочке посредством слабого взаимодействия, где потерявшие сцепленность фотоны — 1, оставшиеся сцепленными — 0.

Так же, например, триггером начала и конца наблюдения цепочки может быть таймер синхронизированного заранее времени.

Таким образом, нас не интересует, каков именно фотон в паре. Нас интересует сам факт: сохранилась сцепленность, или нет. Сигнал передан.

Это концепция из идеального мира, где ни один фотон не потерялся, цепочка была собрана правильно, и так далее. Проблемы реального мира — это проблемы борьбы избыточности и шума, а также сложность в создании систем хранения, воздействия, и контроля частиц.
Но главное — принципиальная возможность передачи сигнала посредством квантовой сцепленности.

Взаимосвязь носителя информации и сигнала


Сама возможность подобного способа работы с сигналом позволяет нам взглянуть на информацию под новым углом. Получается, что в момент передачи носителя информации (цепочки сцепленных частиц) в рамках действующих законов, не быстрее скорости света, мы передаем всю возможную информацию, которую только можно таким образом закодировать.

Приведу аналогию: вы заказали книгу в библиотеке, встречаете курьера, а у него за спиной, невидимые вам, все книги из библиотеки, знаете вы о них, или нет. Вы называете автора и название, забираете свою одну книгу, и остальные тут же уничтожаются.
До следующего курьера из библиотеки.

Еще аналогия: я пишу слово «коса» и у вас в мозгу возникают образы, которые могут быть инициированы этим носителем информации. Однако для передачи сигнала требуется конкретизация: «русая» или «деревянная» или «песчаная». На других языках это сочетание символов «коса» может означать что-то иное, и информация содержится в носителе независимо от того, знаем ли мы ее. Мы просто не имеем уточняющего триггера и памяти для нужного сигнала.

Так и с цепочкой частиц: в момент передачи к вышкам мы передали всю возможную информацию (возможные варианты), оставаясь в рамках знакомой физики, не быстрее скорости света, а фактом измерения лишь произвели уточнение.

В целом, нас ждет увлекательное время в попытках объяснить (и понять), что условный шпион, протащив пару запутанных частиц на объект и нажав в определенное время кнопку (или не нажав, оставив частицы сцепленными) не передал через парные частицы «в штабе» информацию быстрее скорости света. Он пер свою часть информации как улитка на своем горбу. А кнопкой лишь уточнил, выбрал, конкретизировал. Нам еще предстоит разобраться, что он сделал. Но военным понравится. Понравятся шахты, которые невозможно экранировать от команды, и без управляющих проводов. Понравится возможность отдать приказ на любое расстояние, через любые глушилки, на заранее взятый с собой приемник с контейнером частиц. Думаю, именно они, опять, будут двигать технологию.

Или хирург, для которого вышки по всему миру всю ночь накапливали носители информации (запутанные частицы) на разных концах планеты со всем почтением к скорости света, будет делать операцию и видеть мгновенные реакции хирургического робота за десятки тысяч километров от своего кабинета. Он будет потом в интервью говорить, что все происходило мгновенно. А читающий это физик будет ворчать, что вся информация обо всех возможных действиях хирурга была передана еще ночью (с точки зрения физики), с нормальной скоростью. А хирург лишь «уточнил» своими действиями, как именно он прооперировал.

Или взаимодействие информации и, например, свойства локальности мира. Это свойство означает, что событие в одной точке, скажем, планеты не может мгновенно повлиять на физическую действительность в другой точке планеты. Тогда, если условное нажатие кнопки посредством эффекта квантовой запутанности мгновенно зажжет лампочку на другой стороне планеты, значит информация о влияющем событии содержалась в носителе информации до того, как влияющее событие произошло.

Получается, мы находимся на пороге следующего шага эволюции сигнала. При помощи квантового мира мы разделяем скорость прохождения сигнала и скорость распространения носителя информации. Обеспечив запас сцепленных пар с нормальной скоростью, в тот момент, когда критично передать сигнал практически мгновенно, мы можем, пусть пока теоретически, это осуществить.
Share post
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More
Ads

Comments 27

    0
    Так ведь третий этап нереален же? А так можно было бы использовать хоть азбуку Морзе, опираясь на интервалы между потерей сцепленности.
        –1
        «Обход классических ограничений был найден в 2006 году А. Коротковым и Э. Джорданом[51] из Калифорнийского университета за счёт слабых квантовых измерений (англ. weak quantum measurement). Продолжая аналогию, оказалось, что можно не распахивать ящик, а лишь чуть-чуть приподнять его крышку и подсмотреть в щёлку. Если состояние кота неудовлетворительно, то крышку можно сразу захлопнуть и попробовать ещё раз. В 2008 году другая группа исследователей из Калифорнийского университета объявила об успешной экспериментальной проверке данной теории. «Реинкарнация» кота Шрёдингера стала возможной. Наблюдатель А теперь может приоткрывать и закрывать крышку ящика, пока не убедится, что у наблюдателя Б кот окажется в нужном состоянии.» цитата с википедии из статьи, приведенной комментатором выше.

        На данный момент мы способны оценить состояние спецпленной пары, не нарушая ее.
          0
          Это я читал, но разве дело дошло до экспериментального подтверждения?
            –1
            «В 2008 году другая группа исследователей из Калифорнийского университета объявила об успешной экспериментальной проверке данной теории. «Реинкарнация» кота Шрёдингера стала возможной. Наблюдатель А теперь может приоткрывать и закрывать крышку ящика, пока не убедится, что у наблюдателя Б кот окажется в нужном состоянии.» цитата с википедии из статьи, приведенной комментатором выше.»

            Это четвертое и пятое предложения из цитаты выше.
              +1
              Хорошо, я перефразирую. Вы читали оригинал статьи и уверены, что выводы, озвученные в Вики следуют из него, а не являются домыслом российского сегмента Вики? Были ли повторные эксперименты, которые подтвердили выводы группы Калифорнийского университета? Почему за семь лет никто даже не попытался собрать установку «для сверхсветовой коммуникации», пусть бы она работала лишь на ничтожных расстояниях и устойчиво передавала бы лишь один бит за запуск?
                0

                Слабое измерение никак не противоречит квантовой механике и СТО, так как следует из них, а значит не нарушает СТО — т.е. любая передача информации распространяется со скоростью равной или меньшей скорости света.

                  +1
                  Скорее всего являются вымыслом, т.к. на той же ру вики есть спец статья про слабые измерения и там прямым текстом:
                  Слабые измерения способны показывать поведение большого количества частиц в одинаковом состоянии, но не могут предоставлять информацию об отдельных частицах.
          +3
          мы можем, пусть пока теоретически, это осуществить.

          Это уже давний фейк. Информацию не получается передать быстрее света.
            –3
            Вы совершенно правы. Получив на скоростях не больших скорости света в свое распоряжение запутанную частицу, при помощи слабых квантовых взаимодействий мы можем многократно контролировать ее состояние. Если в условное время 22:00 мы видим, что состояние частицы стабильно — мы пишем в таблицу 0. Если состояние изменено из-за измерения напарницы частицы на другой стороне и частица больше не запутанная — пишем 1. Взаимодействие между спутанными частицами мгновенно, что позволяет использовать контроль их состояния как источник сигнала.
              0
              Здравствуйте. Спасибо за статью.
              Вы не могли бы объяснить (так же доходчиво, как с носками), что такое сцепленность, точне, как фотоны сцепляют или запутывают. Сам процесс с технической точки зрения.
                +1
                stDistarik
                Вам спасибо за прочтение.
                Если вы будете достаточно долго стрелять не слишком твердыми шариками по лезвию тесака, однажды шарик попадет в лезвие так, что разрежется, и дальше полетят половинки.
                В квантовом мире мы стреляем фотонами по нанорешетке. И получаем из одного фотона два запутанных с меньшей энергией.
                К сожалению самое интересное, почему два фотона, летящих по разные стороны «лезвия» нанорешетки, «помнят», что были частью целого, и реагируют на измерение друг друга, нам еще предстоит узнать.
                  0
                  Спасибо большое.
                  … мы стреляем фотонами по нанорешетке. И получаем из одного фотона два запутанных с меньшей энергией.

                  А можно ли где-то посмотреть иллюстрации (какое-то научное видео) этого процесса?

                  Хм, смешно получается, фотоны называют сцепленными, а на сомом деле это разделённый фотон.
                    +1
                    Иллюстрации или видео можно получить в результате поиска запроса «Photon-Pair Generation».
                      +1

                      Ничего смешного в этом нет, они называются сцепленными (связанными) потому что они действительно связаны.

              +3
              https://en.wikipedia.org/wiki/Superluminal_communication#Quantum_nonlocality

              However, it is now well understood that quantum entanglement does not allow any influence or information to propagate superluminally…
                –1
                Совершенно верно и никоим образом не противоречит написанному выше. Мы не можем передать запутанный фотон быстрее скорости света. Но уже обладая запутанный фотоном из пары мы можем контролировать его состояние каждую миллисекунду (например) за счёт слабых квантовых измерений.

                Простой пример: путешественник берет с собой запутанный фотон из пары. Второй фотон остается на вышке у спасателей и его состояние проверяется при помощи слабых квантовых измерений каждую миллисекунду (например). Путешественник перемещает свой фотон в полном соответствии с законами физики намного медленнее скорости света. В момент катастрофы путешественник нажимает кнопку и инициирует измерение своего фотона, что нарушает состояние запутанности. Детектор на вышке спасателей через миллисекунду определяет нарушение сцепленности на втором фотоне из пары. Начинается спасательная операция.

                Информация была передана с путешественником со скоростью его ходьбы по всем законам физики. Информация «все хорошо» и «все плохо» одновременно, запутанно, неопределенно. Наша договоренность о сигналах физику не интересует.
                  +2
                  Слабые измерения разрушат запутанность слабо, но в достаточной мере, чтобы передача информации не сработала. Попытка обойти это аналогична попытке создать вечный двигатель: добавим еще одну шестеренку и теперь точно заработает…
                  Передача информации быстрее скорости света (не важно как передается эта информация) нарушит лоренц-инвариантность, которая присуща всему физическому миру. Принцип относительности перестанет действовать и мы окажемся в мире в котором либо можно обнаружить абсолютную систему отсчета — «эфир» (что противоречит всей современной физике), либо нарушается причинность, что противоречит любой логике вообще.
                +2
                Проблема в том, что для контроля запутанности нужно несколько слабых измерений. Если их результаты отличаются, то она осталась.

                Вот только даже слабые измерения быстро разрушают запутанность. Скажем, в этой работе четко показано, что чем сильнее измерение (ось х), тем быстрее падает запутанность (сиреневая кривая):

                image

                Может, сделать измерения еще слабее? Не вопрос, но тогда вы просто шум будете мерить. Короче говоря, идея красивая, но работать не будет.
                  –3
                  Совершенно верно, стандартная инженерная задача борьбы избыточности и шума. Идея будет работать, как только удастся накапливать достаточный запас сцепленных пар. Обыкновенная гонка с вероятностью.
                    +2
                    Это не инженерная проблема, а фундаментальная. Вероятность правильного считывания бита меньше 1/2, канал для связи непригоден.
                  0
                  Мне кааэца, будет проблема с синхронизацией времени через таймер Т, так как согласно канонам время относительно, а не абсолютно, в том числе и для разноудалённых точек пространства где будут находится спутанные фотоны. не?
                    0
                    Такая проблема успешно решается уже сейчас, например, для спутников GPS.
                    +6
                    Квантовая теория поля не позволяет передавать информацию быстрее скорости света.
                    Это закон, типа закона сохранения энергии. Так что, статья сродни изобретению вечного двигателя.

                    Слабые измерения — это не какая-то магия, это просто возможность на шкале {нет информации, система не затронута} — {полная информация, система сколлапсировала} выбрать промежуточную точку.
                      –1
                      Сама дискуссия существует.
                      Примитивно говоря, обсуждается возможность получения неполной информации (Где то лежит научная статья реферированная, видимо если есть вопросы к самой теории.)
                      Тутошняя же статья могла бы исправиться, мол, в рамках теории это невозможно, но «чем чёрт не шутит» и выйти тем самым за рамки фейка.
                      +1
                      Ещё такой вопрос к вышеозвученным: КАК мы узнаем, что система приобрела состояние? Т.е. в какой момент в точке Б узнают, что в точке А открыли коробку с носком? Поскольку в любом случае, проведя измерение мы уже знаем в каком состоянии находиться фотон здесь и там, а значит запутанность (сцепление) уже разрушена. Это тот самый момент, который больше всего меня смущает. Как задетектить разрушение состояния запутанности при этом самому его не разрушив?
                        –3

                        Вы не задумывались об использовании для мгновенной связи способа передачи запутанности фотонов от одной пары к другой? Он, как я понял, позволяет установить запутанность между фотонами, один из которых уже поглощён (измерен), а другой ещё не излучен. Тот и другой фотоны изначально были запутаны в своё время с другими фотонами — "посредниками" их будущей связи. Об этом — здесь: http://www.newsru.com/world/27may2013/quantum.html


                        И не задумывались ли вы о природе мгновенной связи запутанных частиц? Ведь они как-то пользуются ею сами, вопреки нашим представлениям о её возможности. Мой предыдущий комментарий посвящён этой теме.
                        Может быть, для своего обмена информацией они используют пока не найденные нами продольные волны в энергетически плотном вакууме/эфире? Они точно должны быть более быстрыми, чем поперечные электромагнитные волны. Было время, физики из Обнинска надеялись их зарегистрировать при излучении возбуждённых молекул водорода — при переходе электронов на низкие орбиты...

                        Only users with full accounts can post comments. Log in, please.