في العالم الحديث ، تلعب أنظمة الاتصالات دورًا مهمًا في تطوير عالمنا. قنوات نقل المعلومات تتشابك حرفيا مع كوكبنا ، وربط شبكات المعلومات المختلفة بشبكة إنترنت عالمية واحدة. يتضمن العالم الرائع للتكنولوجيا الحديثة اكتشافات حديثة للعلم والتكنولوجيا ، وغالبًا ما ترتبط بالإمكانيات المذهلة للعالم الكمي. من الآمن أن نقول أنه اليوم ، دخلت تقنيات الكم حياتنا بثبات. تم تجهيز أي جهاز محمول في جيوبنا بشريحة ذاكرة تعمل باستخدام نفق الشحن الكمومي. سمح هذا الحل التقني لمهندسي Toshiba ببناء ترانزستور بوابة عائمة في عام 1984 ، والذي أصبح الأساس لبناء رقائق الذاكرة الحديثة. كل يوم نستخدم مثل هذه الأجهزة دون التفكير في أساس عملهم. وبينما يحير الفيزيائيون لشرح مفارقات ميكانيكا الكم ، فإن التطور التكنولوجي يأخذ القدرات المذهلة للعالم الكمومي.
في هذه المقالة سننظر في تداخل الضوء ، ونحلل طرق إنشاء قناة اتصال لنقل المعلومات الفوري باستخدام تقنيات الكم. على الرغم من أن الكثيرين يعتقدون أنه من المستحيل نقل المعلومات بشكل أسرع من سرعة الضوء ، مع النهج الصحيح ، حتى هذه المهمة تصبح قابلة للحل. أعتقد أنك تستطيع أن ترى بنفسك.
مقدمة
من المؤكد أن الكثيرين يدركون ظاهرة تسمى التداخل. يتم توجيه شعاع من الضوء إلى شاشة غير شفافة مع فتحتين متوازيتين ، يتم تثبيت شاشة العرض خلفهما. ميزة الفتحات هي أن عرضها يساوي تقريبًا الطول الموجي للضوء المنبعث. تنتج شاشة العرض سلسلة من أطراف التداخل المتناوبة. توضح هذه التجربة ، التي أجراها توماس جونغ لأول مرة ، تداخل الضوء ، الذي أصبح دليلاً تجريبيًا لنظرية الموجة للضوء في بداية القرن التاسع عشر.
من المنطقي افتراض أن الفوتونات يجب أن تمر عبر الفجوات ، مما يخلق شريطين متوازيين من الضوء على الشاشة الخلفية. ولكن بدلاً من ذلك ، تتكون الكثير من الفرق على الشاشة ، حيث تتناوب أقسام الضوء والظلام. والحقيقة هي أنه عندما يتصرف الضوء مثل الموجة ، فإن كل فتحة تكون مصدرًا للموجات الثانوية. في الأماكن التي تصل فيها الموجات الثانوية إلى الشاشة في مرحلة واحدة ، تتراكم اتساعها ، مما يخلق الحد الأقصى من السطوع. وحيث تكون الموجات في الطور المضاد ، يتم تعويض اتساعها ، مما يخلق الحد الأدنى من السطوع. تغييرات دورية في السطوع عندما تخلق الموجات الثانوية المتراكبة هامش تداخل على الشاشة.
ولكن لماذا يتصرف الضوء مثل الموجة؟ في البداية ، اقترح العلماء أنه ربما تتصادم الفوتونات مع بعضها البعض وقرر إطلاقها واحدة تلو الأخرى. في غضون ساعة ، ظهر نمط تداخل على الشاشة. أدت محاولات تفسير هذه الظاهرة إلى افتراض أن الفوتون منفصل ، ويمر عبر الشقين ، ويشكل الاصطدام نفسه نمط تداخل على الشاشة.
فضول العلماء مسكون. أرادوا أن يعرفوا من خلال الشق الذي يمر به الفوتون بالفعل ، وقرروا أن يلاحظوا. للكشف عن هذا اللغز ، تم وضع أجهزة الكشف أمام كل فتحة ، والتي سجلت مرور الفوتون. أثناء التجربة ، اتضح أن الفوتون يمر من خلال شق واحد فقط ، إما من خلال الأول أو من خلال الثاني. ونتيجة لذلك ، تم تشكيل خطين متوازيين للضوء على الشاشة ، دون تلميح واحد للتداخل. دمرت مراقبة الفوتونات وظيفة الموجة للضوء ، وبدأت الفوتونات تتصرف مثل الجسيمات! طالما أن الفوتونات في حالة من عدم اليقين الكمومي ، فإنها تنتشر مثل الموجات. ولكن عند ملاحظتها ، تفقد الفوتونات وظيفتها الموجية وتبدأ في التصرف مثل الجسيمات.
ثم تم تكرار التجربة مرة أخرى ، مع تشغيل الكاشفات ، ولكن بدون تسجيل البيانات على مسار الفوتون. على الرغم من حقيقة أن التجربة تكرر التجربة السابقة تمامًا ، باستثناء إمكانية الحصول على المعلومات ، بعد مرور بعض الوقت ، ظهر نمط تداخل من خطوط الضوء والظلام على الشاشة.
اتضح أن التأثير لا يتم من خلال أي ملاحظة ، ولكن فقط من خلال الحصول على معلومات حول مسار حركة الفوتونات. وهذا ما تؤكده التجربة التالية ، عندما لا يتم تتبع مسار الفوتون بمساعدة كاشفات مثبتة أمام كل شق ، ولكن بمساعدة مصائد إضافية يمكن من خلالها استعادة المسار دون التفاعل مع الفوتونات الأصلية.ممحاة الكم
لنبدأ بأبسط مخطط (هذا تمثيل تخطيطي للتجربة ، وليس مخطط تثبيت حقيقي).
أرسل شعاع الليزر إلى مرآة شفافة
(PP) . عادة ، تعكس هذه المرآة نصف حادث الضوء عليه ، والنصف الآخر يمر. لكن الفوتونات ، كونها في حالة من عدم اليقين الكمي ، تحصل على مرآة شفافة ، تختار كلا الاتجاهين في نفس الوقت. ثم ، تنعكس كل شعاع بواسطة المرايا
(1) و
(2) على الشاشة ، حيث نلاحظ هامش التداخل. كل شيء بسيط وواضح: تتصرف الفوتونات مثل الموجات.
لنحاول الآن فهم المسار الذي سلكته الفوتونات - في الأعلى أو في الأسفل. للقيام بذلك ، في كل مسار نضع المحولات
(DC) . المحول السفلي هو جهاز ، عندما يدخله الفوتون ، ينتج عنه فوتونين عند الخرج (كل منهما بنصف طاقة) ، أحدهما يضرب الشاشة (
فوتون الفوتون ) ، والثاني يدخل إلى الكاشف
(3) أو
(4) (
الفوتون الخامل ). بعد استلام البيانات من أجهزة الكشف ، سنعرف المسار الذي سلكه كل فوتون. في هذه الحالة ، تختفي صورة التداخل ، لأننا اكتشفنا بالضبط أين مرت الفوتونات ، وبالتالي دمر عدم اليقين الكمومي.
علاوة على ذلك ، فإننا نعقد التجربة قليلاً. نضع مرايا عاكسة على مسار كل فوتون "خامل" ونوجهها إلى المرآة الشفافة الثانية (على يسار المصدر في الرسم البياني). يمرر مرور المرآة الشفافة الثانية المعلومات حول مسار الفوتونات الخاملة ويعيد التداخل (وفقًا لمخطط مقياس التداخل Mach Zehnder). بغض النظر عن أي من أجهزة الكشف التي تعمل ، لن نتمكن من معرفة المسار الذي تنتقل إليه الفوتونات. مع هذا المخطط المعقد ، نقوم بمسح معلومات اختيار المسار واستعادة عدم اليقين الكمومي. نتيجة لذلك ، سيتم عرض نمط تداخل على الشاشة.
إذا قررنا تمديد المرايا ، فسوف تسقط الفوتونات "
الخاملة " مرة أخرى على أجهزة الكشف
(3) و
(4) ، وكما نعلم ، فإن نمط التداخل سيختفي على الشاشة. هذا يعني أنه من خلال تغيير موضع المرايا ، يمكننا تغيير الصورة المعروضة على الشاشة. لذلك يمكنك استخدام هذا لتشفير المعلومات الثنائية.
يمكنك تبسيط التجربة قليلاً والحصول على نفس النتيجة عن طريق تحريك مرآة شفافة في مسار الفوتونات
"الخاملة" :
كما نرى ، فإن الفوتونات
"الخاملة" تقطع مسافة أكبر من شركائها الذين ضربوا الشاشة. من المنطقي أن نفترض أنه إذا تم تكوين الصورة على الشاشة في وقت سابق ، فإن الصورة الناتجة لا يجب أن تتوافق مع ما إذا كنا نحدد مسار الفوتونات أو نمسح هذه المعلومات. لكن
التجارب العملية تظهر العكس - بغض النظر عن المسافة ، فإن الصورة على الشاشة تتوافق دائمًا مع الإجراءات التي يتم تنفيذها مع الفوتونات
الخاملة . وفقًا للمعلومات الواردة
من ويكيبيديا :
النتيجة الرئيسية للتجربة هي أنه لا يهم ما إذا كانت عملية المحو تم إجراؤها قبل أو بعد وصول الفوتونات إلى شاشة الكاشف.
تم وصف تجربة مماثلة أيضًا في كتاب Brian Green ،
The Cloth of Cosmos and Space . يبدو السببية المتغيرة لا يصدق. دعونا نحاول معرفة ما هو.
جزء من النظرية
إذا نظرنا إلى نظرية النسبية الخاصة لآينشتاين ، كلما زادت السرعة ، يتباطأ الوقت وفقًا للصيغة:
حيث
r هو طول الوقت ، v هي السرعة النسبية للجسم.سرعة الضوء هي كمية محددة ، وبالتالي ، بالنسبة لجزيئات الضوء (الفوتونات) نفسها ، يتباطأ الوقت إلى الصفر. بشكل أكثر صحة ، بالنسبة للفوتونات
ليس هناك وقت ، بالنسبة لهم هناك فقط اللحظة الحالية التي هم فيها في أي وقت على مسارهم. قد يبدو هذا غريبًا ، لأننا اعتدنا على الاعتقاد بأن الضوء من النجوم البعيدة يصل إلينا بعد ملايين السنين. ولكن مع ISO لجسيمات الضوء ، تصل الفوتونات إلى المراقب في نفس الوقت من الزمن ، بمجرد أن تنبعث من النجوم البعيدة.
والحقيقة هي أن الوقت الحالي للأجسام الثابتة والأجسام المتحركة قد لا يتزامن. لتمثيل الوقت ، من الضروري اعتبار الزمكان بمثابة كتلة مستمرة ممتدة في الوقت. الشرائح التي تشكل الكتلة هي لحظات للمراقب. تمثل كل شريحة مساحة في نقطة زمنية واحدة من وجهة نظرها. تتضمن هذه اللحظة جميع نقاط الفضاء وجميع الأحداث في الكون ، والتي يتم تقديمها للمراقب على أنها تحدث في نفس الوقت.
اعتمادًا على سرعة الحركة ، ستقسم شريحة من زمن المضاعف الزمكان في زوايا مختلفة. في اتجاه الحركة ، تميل شريحة الحاضر إلى التحول إلى المستقبل. في الاتجاه المعاكس ، تميل شريحة الحاضر إلى التحول إلى الماضي.
كلما زادت سرعة الحركة ، زادت زاوية القطع. عند سرعة الضوء ، فإن شريحة الوقت الحالي لها أقصى زاوية إزاحة 45 درجة ، حيث يتوقف الوقت وتكون الفوتونات في لحظة واحدة في أي وقت على مسارها.
يطرح سؤال معقول ، كيف يمكن أن يكون الفوتون في وقت واحد في نقاط مختلفة في الفضاء؟ دعونا نحاول معرفة ما يحدث للفضاء بسرعة الضوء. كما تعلم ، مع زيادة السرعة ، لوحظ تأثير الانخفاض النسبي في الطول ، وفقًا للصيغة:
حيث
l هو الطول و v هي السرعة النسبية للجسم.ليس من الصعب ملاحظة أنه عند سرعة الضوء ، سيتم ضغط أي طول في الفضاء إلى حجم صفر. لذا ، في اتجاه الفوتونات ، يتم ضغط الفضاء إلى نقطة صغيرة من حجم بلانك ، حيث يختفي مفهوم الزمكان نفسه. يمكن القول أن الفوتونات
لا توجد مساحة ، لأن مسارها بالكامل في الفضاء مع فوتونات IFR في نقطة واحدة.
لذا ، نحن نعلم الآن أنه بغض النظر عن المسافة المقطوعة ، تصل الفوتونات
إشارة وخاملة في وقت واحد إلى الشاشة وأجهزة الكشف ، لأنه من وجهة نظر الفوتونات
لا يوجد وقت ولا مكان. بالنظر إلى الاقتران الكمومي
للإشارات والفوتونات
الخاملة ، فإن أي تأثير على فوتون واحد سيؤثر على الفور على حالة شريكه. وفقًا لذلك ، يجب أن تتوافق الصورة على الشاشة دائمًا مع ما إذا كنا نحدد مسار الفوتونات أو نمسح هذه المعلومات. وهذا يوفر إمكانية النقل الفوري للمعلومات. على المرء أن يأخذ في الاعتبار فقط أن المراقب لا يتحرك بسرعة الضوء ، وبالتالي يجب تحليل الصورة على الشاشة بعد وصول الفوتونات الخاملة إلى أجهزة الكشف.
التنفيذ العملي
دعونا نترك النظرية للمنظرين ونعود إلى الجزء العملي من تجربتنا. للحصول على صورة على الشاشة ، تحتاج إلى تشغيل مصدر الضوء وتوجيه تدفق الفوتون إلى الشاشة. سيحدث ترميز المعلومات على جسم بعيد ، عن طريق حركة مرآة شفافة في مسار الفوتونات
الخاملة . من المفترض أن جهاز الإرسال سيشفر المعلومات على فترات زمنية متساوية ، على سبيل المثال ، يرسل كل بت من البيانات في جزء من مائة من الثانية.
كشاشة ، يمكنك استخدام مصفوفة رقمية حساسة لتسجيل التغييرات البديلة مباشرة. ثم ، يجب تأجيل المعلومات المسجلة حتى تصل الفوتونات الخاملة إلى وجهتها. بعد ذلك ، يمكنك البدء في تحليل المعلومات المسجلة واحدة تلو الأخرى للحصول على المعلومات المرسلة. على سبيل المثال ، إذا كان جهاز التشفير على سطح المريخ ، فيجب أن يبدأ تحليل المعلومات في وقت متأخر لمدة تتراوح من عشر إلى عشرين دقيقة (تمامًا مثلما يستغرق الضوء للوصول إلى الكوكب الأحمر). على الرغم من حقيقة أن تحليل المعلومات يتم بتأخير عشرات الدقائق ، فإن المعلومات المستقبلة سوف تتوافق مع ما يتم إرساله من المريخ في الوقت الحالي. وبناءً على ذلك ، يجب تثبيت جهاز تحديد المدى بالليزر مع جهاز
الاستقبال من أجل تحديد الفاصل الزمني بدقة الذي يبدأ منه تحليل المعلومات المرسلة.
وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن البيئة لها تأثير سلبي على المعلومات المرسلة. عندما تمر الفوتونات عبر المجال الجوي ، تحدث عملية فك الترابط ، مما يزيد من التداخل في الإشارة المرسلة. من أجل استبعاد تأثير البيئة قدر الإمكان ، من الممكن إرسال الإشارات في الفضاء الخالي من الهواء باستخدام الأقمار الصناعية للاتصالات.
من خلال تنظيم اتصال ثنائي الاتجاه ، من الممكن في المستقبل بناء قنوات اتصال لنقل المعلومات على الفور إلى أي نطاق يمكن أن تصل إليه المركبة الفضائية. ستكون قنوات الاتصال هذه ضرورية ببساطة إذا كنت بحاجة إلى الوصول السريع إلى الإنترنت خارج كوكبنا.
ملاحظة: هناك سؤال واحد حاولنا تجنبه: ماذا يحدث إذا نظرنا إلى الشاشة قبل وصول الفوتونات الخاملة إلى أجهزة الكشف؟ نظريًا (من وجهة نظر نظرية النسبية لأينشتاين) ، يجب أن نرى أحداث المستقبل. علاوة على ذلك ، إذا عكسنا الفوتونات الراكدة من مرآة بعيدة الموقع وأعادناها ، فيمكننا معرفة مستقبلنا. لكن في الواقع ، عالمنا أكثر غموضاً ، لذلك ، من الصعب إعطاء الإجابة الصحيحة دون إجراء تجارب عملية. ربما سنرى الخيار الأكثر احتمالاً للمستقبل. ولكن بمجرد حصولنا على هذه المعلومات ، قد يتغير المستقبل وسيظهر فرع بديل من الأحداث (وفقًا لفرضية تفسير إيفريت متعدد العالم). أو ربما سنرى مزيجًا من التداخل ونطاقين (إذا كانت الصورة تتكون من جميع الخيارات الممكنة للمستقبل).
استمرار المقال ->PS لسوء الحظ ، لم يكن هذا المخطط يعمل (أيضًا المخطط الموضح في استمرار هذه المقالة) ، حيث أظهر التحقق الدقيق من الحسابات أن التحول الطوري لم يؤخذ في الاعتبار عند استخدام الجسيمات المتشابكة الكمومية.
روابط مفيدة:Walborn ، SP (2002). "ممحاة الكم مزدوجة الشق." فيز. القس أ 65ممحاة الكم الاختيارية. تجربة Kim et al. (1999)تجربة ممحاة الكمخطاب توم كامبلممحاة الكم التي اقترحها سكالي ودرول