Стандартный квантовый предел можно обойти

Оптическая связь, с одной стороны, значительно перспективнее использующей радиоволны, а с другой — страдает от ряда ограничений.

Адаптивные приёмники показали такую низкую вероятность ошибочного приёма, которая прежде считалась принципиально недостижимой. (Здесь и ниже иллюстрации JQI.)

Оптическая связь, с одной стороны, значительно перспективнее использующей радиоволны, а с другой — страдает от ряда ограничений. Передача информации при помощи различных фаз световых волн, к примеру, серьёзно лимитирована стандартным квантовым пределом (СКП). Но его, возможно, удастся обойти.

Сейчас оптическая связь для кодирования информации при помощи различных фаз световой волны использует волны с разностью фаз в 180˚. Теоретически приёмники сигнала могут работать и с другими вариантами разности — в 0, 90, 180 и 270˚. Это резко увеличило бы пропускную способность канала связи, если бы не одно «но». Фазовые состояния слегка перекрываются, что позволяет приёмнику ошибочно воспринимать состояние с фазой 180˚ как, к примеру, 270˚.

Чтобы минимизировать ошибки, можно усилить мощность входящего сигнала (что, впрочем, увеличивает энергопотребление и стоимость системы) или улучшить приёмник, повысив его чувствительность.
Однако десятилетия попыток взять барьер повышенной чувствительности упирались в одно и то же препятствие — стандартный квантовый предел, тесно связанный с соотношением неопределённостей Гейзенберга и потому считавшийся непреодолимым, подобно силе тяготения. Постулировалось, что выше него чувствительность одиночного приёмника подняться уже не может.

Учёные из Национального института стандартов и технологийи Объединённого квантового института Мэрилендского университета в Колледж-Парке (оба — США) под руководством Франсиско Элохима Бесерры (Francisco Elohim Becerra) создали приёмник, делающий за то же время, что раньше требовалось на одно измерение, сразу несколько измерений фазового состояния входящей волны. При этом информация от первого из них используется для адаптации приёмника с целью повышения точности последующего. Этот адаптивный многостадийный приёмник применяет уже имеющиеся в продаже компоненты и потому лишь несколько дороже существующих решений.
Частота ошибок при интерпретации фаз входящей волны у него вчетверо меньше, чем теоретически позволяет СКП. Разумеется, ожидать внедрения новых приёмников в оптоволоконные сети уже завтра не приходится. Но потенциально они могут значительно увеличить пропускную способность оптических систем передачи информации и в то же время резко снизить их энергопотребление.
Любопытно и то, что отдалённо сходный принцип применялся в недавней попытке«обойти» принцип неопределённости Гейзенберга.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Photonics.