Можно ли передавать информацию, не обмениваясь частицами?

Группа учёных из Саудовской Аравии и США под руководством Хатима Салиха (Hatim Salih) из Научно-технического городка имени короля Абдул-Азиз ибн Сауда утверждает, что разработала метод передачи информации между источником и получателем без обмена какими-либо физическими частицами.

«Ну вот, как обычно, сенсационности для не пожалели даже школьной программы...» — подумает читатель и будет до некоторой степени прав. Но лишь до предельно малой степени.

В сердце спроектированного прибора — множество светоделителей — устройств из призм и зеркал (несколько упрощая) с очень высокой отражающей способностью. Когда одна сторона информационного канала (Алиса) отправляет фотон через первый светоделитель, а вторая (Боб) имеет детектор прямо за этим устройством, то Боб может либо активировать детектор, либо не активировать его. Пока детектор выключен, фотон существует в суперпозиции одновременных состояний, в одном из которых он будет отражён, а в другом — пропущен через светоделитель, что позволит ему интерферировать самому с собой после отражения в двух правильно расположенных зеркалах.

Но когда детектор Боба включён, ситуация меняется: волновая функция фотона вынуждена коллапсировать, и частица должна выбирать, какое из двух состояний следует «предпочесть».

Схема обмена информацией без частиц (иллюстрация Hatim Salih et al.).

Второй светоделитель расположен там, где оба потенциальных маршрута фотона пересекаются, и за этим светоделителем у Боба тоже есть детектор. Когда относительно детектора и светоделителя правильно расположены ещё два зеркала, конфигурация этого элемента в целом начинает повторять первый, что приводит к появлению серии «петель» в форме ромба.

В итоге начинает действовать квантовый эффект Зенона, согласно которому некое метастабильное состояние распадётся тем позже, чем чаще его будут измерять с помощью приборов. В данном случае Боб может сообщить Алисе, включены ли все его детекторы, без необходимости пропускать хотя бы один фотон между собой и Алисой. Ведь если все детекторы работают, в игру вступает квантовый эффект Зенона, и волновая функция фотона постоянно коллапсирует в одно и то же состояние высокой вероятности — отражённое, заставляя фотон выдавать сигнал на один из двух выходных детекторов на стороне Алисы. Ну а если все детекторы Боба выключены, повторяемая интерференция волновой функции с самой собой приводит к активации второго из двух детекторов Алисы.

Конечно, описанная схема неидеальна. Если Боб включит только один из удалённых детекторов, находящихся в следующих элементах системы, волновая функция фотона дойдёт до состояния, когда её, скорее всего, удастся зарегистрировать на той части установки, что находится под контролем Боба, а значит, цель — обмен информацией без посылки фотона — не будет достигнута.

Чтобы снять эту проблему, исследователи использовали то, что они называют «цепным квантовым эффектом Зенона». Идея уловки в том, чтобы вторичные контуры системы светоделитель — детектор сбрасывали волновую функцию в конце каждого большого контура так, чтобы вероятность обнаружения фотона на стороне Боба хотя и не исчезала, но никогда не достигала слишком больших значений.

Как полагают учёные, бесконечное количество первичных и вторичных контуров в такой системе должно гарантировать, что фотон всегда заставит сработать правильный детектор на стороне Алисы и никогда не закончит свой путь в одном из детекторов Боба, что будет означать стопроцентно свободную от частиц связь между Алисой и Бобом.

Иллюстрация John Richardson.

На деле бесконечное количество контуров неудобно, и даже чтобы получить в 95% случаев связь, не включающую обмен частицами, потребуется, по расчётам, 50 первичных контуров и 1 000 вторичных, что по-прежнему не слишком практично для канала связи.

Поэтому физики разработали более элегантную схему с одним первичным и одним вторичным контуром, использующими суперпозиции поляризаций и при помощи точного компенсирующего тайминга создающими тот же эффект, как если бы контуров в аппарате было много. При текущем уровне лабораторной техники, по словам исследователей, успешной связи без помощи частиц-посредников таким методом можно достичь в среднем в 70–80% случаев.

Теоретически это успех. В самом деле, всё выглядит так, как будто таким образом можно реализовать хотя и не слишком надёжную (70–80%), но практически не перехватываемую связь для спецканалов. Действительно, как перехватить сообщение, когда оно не переносится никаким носителем? В то же время система в существующем виде сложна, и о широком её применении (скажем, коммерческом) говорить пока не приходится.

Хатим Салих также указывает на интересный вопрос: если физические частицы не переносят информацию между отправителем и получателем, то кто же тогда это делает? В принципе, можно сказать, что во всех реализуемых вариантах такой схемы сохраняется вероятность передачи фотона от одной стороны к другой. Но стоит ли уверенно утверждать, что информацию можно предавать одной только вероятностью передачи частицы?..

Отчёт об исследовании принят к публикации в журнале Physical Review Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.

a