Pirmą kartą kvantinės mechanikos istorijoje mokslininkams pavyko perduoti nespalvotą atvaizdą, nepersiuntus jokių fizinių dalelių. Šį fenomeną galima paaiškinti Zeno efektu, tuo pačiu, kuris teigia, kad pats judėjimas yra neįmanomas.

Kontrafaktinė komunikacija

Kvantinė komunikacija ir šiaip keistas žvėris, tačiau viena iš pačių keisčiausių jos formų vadinama kontrafaktine komunikacija – tai toks kvantinės komunikacijos tipas, kai tarp žinutės siuntėjo ir gavėjo nekeliauja jokios fizinės dalelės.

Fizikos teoretikai seniai tvirtino, kad tokia komunikacijos forma įmanoma, bet tik dabar mokslininkams pirmą kartą pavyko tai atlikti eksperimentiškai – perduoti nespalvotų taškų atvaizdą iš vienos vietos į kitą, neperduodant jokių fizinių dalelių.

Jei tai skamba pernelyg keistai, nesigraužkite, tai juk kvantinė mechanika. Ji sudėtinga. Bet perpratus, kontrafaktinė kvantinė komunikacija tampa nebe tokia keista, kaip atrodo.

Pirmiausia pakalbėkime, kuo tai skiriasi nuo įprastos kvantinės komunikacijos, vadinamos kvantine teleportacija, nes tai juk irgi savotiška informacijos perdavimo be dalelių forma?

Na, ne visai. Įprastinė kvantinė teleportacija remiasi susietumu – kai dvi dalelės tampa neatskiriamai susietos tokiu būdu, kad pakeitus vieną dalelę, automatiškai pakinta ir kita, kad ir kokiu atstumu jos viena nuo kitos būtų.

Būtent šį reiškinį Einšteinas vadino „baugiu veikimu per atstumą“, ir mokslininkai jau yra panaudoję jį žinučių siuntimui tolimais atstumais.

Bet ši kvantinė teleportacija vis vien remiasi viena ar kita dalelių perdavimo forma. Kai dalelės susiejamos, jos paprastai turi būti šalia, o tik paskui pasiųstos žmonėms, tad, iš pradžių jos būna vienoje vietoje, o kad būtų galima komunikuoti, jos turi būti perduotos į kitą vietą.

Pasveikinkite Zeno

Aišku, dalelės gali būti susietos ir nebūdamos greta, bet tam paprastai reikia, kad tarp jų keliautų kitos dalelės, pavyzdžiui, fotonai (šviesos dalelės).

Tuo tarpu tiesioginė kontrafaktinė kvantinė komunikacija remiasi ne kvantiniu susietumu. Vietoje to naudojamas fenomenas, vadinamas kvantiniu Zeno efektu.

Dėstant labai paprastai, kvantinis Zeno efektas pasireiškia, pakartotinai matuojant nestabilią kvantinę sistemą.

Kvantiniame pasaulyje, sistemą keičia vien pažiūrėjimas į ją – išmatavimas. Ir šiuo atveju nestabilios dalelės negali suirti kol matuojamos (kaip tas patarlėje stebimas neužverdantis katilas), tad kvantinis Zeno efektas sukuria sistemą, kuri sustingusi su labai didele tikimybe.

Jei norite kiek pasigilinti, šiame video viskas puikiai paaiškinama:

Kontrafaktinė kvantinė komunikacija ir paremta šiuo kvantiniu Zeno efektu, ir apibrėžiama kaip kvantinės būsenos perdavimas iš vienos vietos į kitą be jokių kvantinių ar klasikinių dalelių perdavimo tarp jų.

Tam reikia, kad tarp dviejų vietų būtų kvantinis kanalas, tai reiškia, kad visada yra nedidelė tikimybė, kad kvantinė dalelė šį kanalą pereis. Jei taip nutinka, sistema atmetama ir sukuriama nauja.

Siekdami sukurti tokią sudėtingą sistemą, Kinijos Mokslų ir technologijos universiteto mokslininkai spindulio dalintuvų masyvo paskutiniame porte sumontavo du atskirų fotonų detektorius.

Dėl kvantinio Zeno efekto sistema yra sustingusi tam tikroje būsenoje, tad įmanoma numatyti, kuris detektorius „spragtels“, užfiksavęs pralekiantį fotoną. Įmontuotais interferometrais matuojama būsena, taip užtikrinant, kad ji nesikeistų.

Visa tai veikia todėl, kad kvantiniame pasaulyje visas šviesos daleles galima visiškai aprašyti kaip bangos funkciją, o ne kaip daleles. Taigi, įterpę žinutę į šviesą, sugebėjo perduoti ją, tiesiogiai nesiųsdami žinutės.

Atsakymas yra šviesa

Komanda aiškina, kad esminė šio eksperimento idėja kilo iš holografijos technologijos.

„Penktajame XX amžiaus dešimtmetyje buvo sukurta nauja vaizdo technika – holografija, kuri fiksavo ne tik šviesos intensyvumą, bet ir šviesos fazę,“ žurnale Proceedings of the National Academy of Sciences rašo tyrėjai.

„Ir tada kilo klausimas: ar vaizdavimui galima naudoti vien šviesos fazę? Atsakymas yra taip.“

Esminė idėja tokia – norima nusiųsti vaizdą Alisai, naudojant tik šviesą (kuri kvantiniame pasaulyje elgiasi kaip šviesa, ne kaip dalelė).

Alisa pasiunčia vieną fotoną į interferometrą, kur jį gali aptikti trys vieno fotono detektoriai: D₀, D₁, ir D_f.

Jei „spragteli“ D₀ ar D₁, Alisa žinos loginę 0 arba 1 reikšmę. Jei suveikia D_f, rezultatas laikomas neapibrėžtu.

Kaip Christopher Packham paaiškina Phys.org:

„Perdavę visus bitus, tyrėjai sugebėjo atkurti atvaizdą – vienspalvį kiniško mazgo paveiksliuką. Juodiems vaizdo taškams buvo priskirta loginio 0 reikšmė, o baltiems pikseliams, logino 1.

Šiame eksperimente informacijos nešėjas buvo pati šviesos fazė, o šviesos intensyvumas eksperimentui reikšmės neturėjo.“

Tai ne tik didelis žingsnis kvantinės komunikacijos srityje, bet ir technologija, kuria naudojantis, galima stebėti jautrius senovinius artefaktus, kurie negali pakelti tiesioginės šviesos.

Eksperimento rezultatus turės patikrinti nesusiję mokslininkai, kad būtų įsitikinta, jog tai, ką tyrėjai matė, iš tiesų yra kontrafaktinės kvantinės komunikacijos pavyzdys.

Kaip bebūtų, tai tik dar viena demonstracija, koks keistas ir neištyrinėtas yra kvantinis pasaulis.

Tyrimas publikuotas Proceedings of the National Academy of Sciences. žurnale

Komentarai ()