In der modernen Welt spielen Kommunikationssysteme eine wichtige Rolle bei der Entwicklung unserer Welt. Informationsübertragungskanäle verwickeln unseren Planeten buchstäblich und verbinden verschiedene Informationsnetzwerke zu einem einzigen globalen Internet. Die wunderbare Welt der modernen Technologie umfasst innovative Entdeckungen von Wissenschaft und Technologie, die oft mit den erstaunlichen Möglichkeiten der Quantenwelt verbunden sind. Man kann mit Sicherheit sagen, dass Quantentechnologien heute fest in unserem Leben verankert sind. Alle mobilen Geräte in unseren Taschen sind mit einem Speicherchip ausgestattet, der mit Quantenladungstunneln arbeitet. Eine solche technische Lösung ermöglichte es den Ingenieuren von Toshiba, 1984 einen Floating-Gate-Transistor zu bauen, der die Grundlage für den Bau moderner Speicherchips bildete. Jeden Tag benutzen wir solche Geräte, ohne darüber nachzudenken, worauf ihre Arbeit basiert. Und während Physiker rätseln, um die Paradoxien der Quantenmechanik zu erklären, übernimmt die technologische Entwicklung die erstaunlichen Fähigkeiten der Quantenwelt.
In diesem Artikel werden wir die Interferenz von Licht betrachten und die Methoden zum Aufbau eines Kommunikationskanals für die sofortige Informationsübertragung unter Verwendung von Quantentechnologien analysieren. Obwohl viele glauben, dass es unmöglich ist, Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen, wird mit dem richtigen Ansatz auch eine solche Aufgabe lösbar. Ich denke, Sie können es selbst sehen.
Einführung
Sicherlich sind sich viele eines Phänomens bewusst, das als Interferenz bezeichnet wird. Ein Lichtstrahl wird auf eine undurchsichtige Leinwand mit zwei parallelen Schlitzen gerichtet, hinter der eine Projektionswand montiert ist. Das Merkmal der Schlitze ist, dass ihre Breite ungefähr gleich der Wellenlänge des emittierten Lichts ist. Die Projektionswand erzeugt eine Reihe alternierender Interferenzstreifen. Dieses Experiment, das zuerst von Thomas Jung durchgeführt wurde, demonstriert die Interferenz von Licht, die zu Beginn des 19. Jahrhunderts ein experimenteller Beweis für die Wellentheorie des Lichts wurde.
Es ist logisch anzunehmen, dass Photonen durch die Lücken gehen müssen, wodurch zwei parallele Lichtstreifen auf der Rückseite entstehen. Stattdessen bilden sich auf dem Bildschirm viele Bänder, in denen sich Licht- und Dunkelabschnitte abwechseln. Tatsache ist, dass, wenn sich Licht wie eine Welle verhält, jeder Schlitz eine Quelle für Sekundärwellen ist. An Orten, an denen Sekundärwellen in einer Phase den Bildschirm erreichen, addieren sich ihre Amplituden, wodurch ein Maximum an Helligkeit entsteht. Und wo die Wellen gegenphasig sind, werden ihre Amplituden kompensiert, was ein Minimum an Helligkeit erzeugt. Periodische Helligkeitsänderungen, wenn überlagerte Sekundärwellen Interferenzstreifen auf dem Bildschirm erzeugen.
Aber warum verhält sich Licht wie eine Welle? Am Anfang schlugen Wissenschaftler vor, dass Photonen möglicherweise miteinander kollidieren, und beschlossen, sie einzeln freizusetzen. Innerhalb einer Stunde erschien wieder ein Interferenzmuster auf dem Bildschirm. Versuche, dieses Phänomen zu erklären, führten zu der Annahme, dass das Photon getrennt ist, beide Schlitze durchläuft und selbst kollidiert und ein Interferenzmuster auf dem Bildschirm bildet.
Die Neugier der Wissenschaftler verfolgte sie. Sie wollten wissen, durch welchen Spalt das Photon wirklich geht, und beschlossen zu beobachten. Um dieses Rätsel zu lösen, wurden vor jedem Schlitz Detektoren angebracht, die den Durchgang eines Photons aufzeichneten. Während des Experiments stellte sich heraus, dass das Photon nur durch einen Spalt geht, entweder durch den ersten oder durch den zweiten. Infolgedessen bildeten sich zwei parallele Lichtstreifen auf dem Bildschirm ohne einen einzigen Hinweis auf Interferenz. Die Beobachtung von Photonen zerstörte die Wellenfunktion des Lichts und Photonen begannen sich wie Teilchen zu verhalten! Solange sich Photonen in Quantenunsicherheit befinden, breiten sie sich wie Wellen aus. Wenn sie jedoch beobachtet werden, verlieren Photonen ihre Wellenfunktion und beginnen sich wie Teilchen zu verhalten.
Dann wurde das Experiment erneut wiederholt, wobei die Detektoren eingeschaltet waren, jedoch ohne Daten auf der Photonenbahn aufzuzeichnen. Trotz der Tatsache, dass das Experiment das vorherige vollständig wiederholt, mit Ausnahme der Möglichkeit, Informationen zu erhalten, erschien nach einiger Zeit ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen wieder auf dem Bildschirm.
Es stellt sich heraus, dass der Effekt nicht durch irgendeine Beobachtung erzielt wird, sondern nur durch welche Informationen über die Bewegungsbahn von Photonen erhalten werden können. Dies wird durch das folgende Experiment bestätigt, bei dem die Photonenbahn nicht mit Hilfe von vor jedem Schlitz installierten Detektoren verfolgt wird, sondern mit Hilfe zusätzlicher Fallen, mit denen die Flugbahn wiederhergestellt werden kann, ohne mit den ursprünglichen Photonen zu interagieren.Quantenradierer
Beginnen wir mit dem einfachsten Schema (dies ist eine schematische Darstellung des Experiments und kein reales Installationsschema).
Senden Sie den Laserstrahl an einen durchscheinenden Spiegel
(PP) . Typischerweise reflektiert ein solcher Spiegel die Hälfte des auf ihn einfallenden Lichts und die andere Hälfte geht durch. Aber Photonen, die sich in einem Zustand der Quantenunsicherheit befinden und auf einen durchscheinenden Spiegel gelangen, wählen beide Richtungen gleichzeitig. Dann wird jeder Strahl von den Spiegeln
(1) und
(2) auf den Bildschirm reflektiert, wo wir Interferenzstreifen beobachten. Alles ist einfach und klar: Photonen verhalten sich wie Wellen.
Versuchen wir nun zu verstehen, welchen Weg die Photonen gegangen sind - oben oder unten. Zu diesem Zweck setzen wir auf jedem Pfad Konverter
(DC) ab . Ein Abwärtswandler ist eine Vorrichtung, die beim Eintritt eines Photons am Ausgang 2 Photonen (jeweils mit halber Energie) erzeugt, von denen eines auf den Bildschirm trifft (
Signalphoton ) und das zweite in den Detektor
(3) oder
(4) gelangt (
Leerlaufphoton ). Nachdem wir Daten von den Detektoren erhalten haben, wissen wir, welchen Weg jedes Photon zurückgelegt hat. In diesem Fall verschwindet das Interferenzbild, weil wir genau herausgefunden haben, wo die Photonen vorbeigegangen sind, und daher die Quantenunsicherheit zerstört haben.
Weiter erschweren wir das Experiment ein wenig. Wir setzen reflektierende Spiegel auf den Weg jedes „freien“ Photons und richten sie auf den zweiten durchscheinenden Spiegel (links von der Quelle im Diagramm). Durch den Durchgang des zweiten durchscheinenden Spiegels werden die Informationen über die Flugbahn von Leerlaufphotonen gelöscht und die Interferenz wiederhergestellt (gemäß dem Schema des Mach-Zehnder-Interferometers). Unabhängig davon, welcher der Detektoren funktioniert, können wir nicht herausfinden, welchen Weg Photonen zurückgelegt haben. Mit diesem komplizierten Schema löschen wir die Pfadauswahlinformationen und stellen die Quantenunsicherheit wieder her. Infolgedessen wird ein Interferenzmuster auf dem Bildschirm angezeigt.
Wenn wir uns entscheiden, die Spiegel zu verlängern, fallen die "
Leerlauf " -Photonen wieder auf die Detektoren
(3) und
(4) , und wie wir wissen, verschwindet das Interferenzmuster auf dem Bildschirm. Dies bedeutet, dass wir durch Ändern der Position der Spiegel das auf dem Bildschirm angezeigte Bild ändern können. Sie können dies also verwenden, um binäre Informationen zu codieren.
Sie können das Experiment ein wenig vereinfachen und das gleiche Ergebnis erzielen, indem Sie einen durchscheinenden Spiegel auf dem Weg
„untätiger“ Photonen bewegen:
Wie wir sehen,
legen „untätige“ Photonen mehr Abstand zurück als ihre Partner, die auf den Bildschirm treffen. Es ist logisch anzunehmen, dass, wenn das Bild auf dem Bildschirm früher erzeugt wird, das resultierende Bild nicht der Frage entsprechen sollte, ob wir die Flugbahn von Photonen bestimmen oder diese Informationen löschen.
Praktische Experimente zeigen jedoch das Gegenteil - unabhängig von der Entfernung entspricht das Bild auf dem Bildschirm immer den Aktionen, die mit
freien Photonen ausgeführt werden. Nach Angaben
von Wikipedia :
Das Hauptergebnis des Experiments ist, dass es keine Rolle spielt, ob der Löschvorgang vor oder nach dem Erreichen des Detektorbildschirms durch die Photonen durchgeführt wurde.
Eine ähnliche Erfahrung wird auch in Brian Green's Buch
The Cloth of Cosmos and Space beschrieben . Es scheint unglaublich, die Kausalität zu ändern. Versuchen wir herauszufinden, was was ist.
Ein bisschen Theorie
Wenn wir Einsteins spezielle Relativitätstheorie betrachten, verlangsamt sich die Zeit mit zunehmender Geschwindigkeit gemäß der Formel:
Dabei ist
r die Zeitdauer, v die relative Geschwindigkeit des Objekts.Die Lichtgeschwindigkeit ist eine begrenzende Größe, daher verlangsamt sich die Zeit für die Lichtteilchen (Photonen) selbst auf Null. Genauer gesagt, für Photonen
gibt es keine Zeit, für sie gibt es nur den aktuellen Moment, zu dem sie sich zu irgendeinem Zeitpunkt auf ihrer Flugbahn befinden. Dies mag seltsam erscheinen, weil wir es gewohnt sind zu glauben, dass Licht von fernen Sternen uns Millionen von Jahren später erreicht. Mit der ISO von Lichtteilchen erreichen Photonen den Betrachter jedoch zum gleichen Zeitpunkt, sobald sie von entfernten Sternen emittiert werden.
Tatsache ist, dass die gegenwärtige Zeit für stationäre Objekte und sich bewegende Objekte möglicherweise nicht zusammenfällt. Um die Zeit darzustellen, ist es notwendig, die Raumzeit als einen kontinuierlichen Block zu betrachten, der sich in der Zeit erstreckt. Die den Block bildenden Scheiben sind gegenwärtige Momente für den Betrachter. Jedes Slice repräsentiert den Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt aus seiner Sicht. Dieser Moment umfasst alle Punkte des Raums und alle Ereignisse im Universum, die dem Betrachter als gleichzeitig geschehen dargestellt werden.
Abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit teilt ein Stück der Gegenwart die Raumzeit in verschiedenen Winkeln. In Bewegungsrichtung tendiert das Stück Gegenwart in die Zukunft. In der entgegengesetzten Richtung tendiert das Stück Gegenwart dazu, sich in die Vergangenheit zu verschieben.
Je größer die Bewegungsgeschwindigkeit ist, desto größer ist der Schnittwinkel. Bei Lichtgeschwindigkeit hat die Scheibe der Gegenwart einen maximalen Verschiebungswinkel von 45 °. Zu diesem Zeitpunkt stoppt sie und die Photonen befinden sich zu einem beliebigen Zeitpunkt auf ihrem Weg.
Es stellt sich die vernünftige Frage, wie sich ein Photon gleichzeitig an verschiedenen Punkten im Raum befinden kann. Versuchen wir herauszufinden, was mit Lichtgeschwindigkeit im Weltraum passiert. Wie Sie wissen, wird mit zunehmender Geschwindigkeit der Effekt einer relativistischen Längenreduzierung gemäß der folgenden Formel beobachtet:
Dabei ist
l die Länge und v die relative Geschwindigkeit des Objekts.Es ist nicht schwer zu bemerken, dass bei Lichtgeschwindigkeit jede Länge im Raum auf die Größe Null komprimiert wird. In Richtung der Photonen wird der Raum also zu einem kleinen Punkt von Planck-Größe komprimiert, an dem das Konzept der Raum-Zeit verschwindet. Man kann sagen, dass es für Photonen
keinen Raum gibt, da ihre gesamte Flugbahn im Raum mit IFR-Photonen an einem Punkt liegt.
Jetzt wissen wir also, dass unabhängig von der zurückgelegten Entfernung die
Signal- und
Leerlaufphotonen gleichzeitig den Bildschirm und die Detektoren erreichen, da es aus Sicht der Photonen weder Zeit noch Raum gibt. Angesichts der Quantenkopplung von
Signal- und
Leerlaufphotonen wirkt sich jeder Effekt auf ein Photon sofort auf den Zustand seines Partners aus. Dementsprechend sollte das Bild auf dem Bildschirm immer der Frage entsprechen, ob wir die Flugbahn von Photonen bestimmen oder diese Informationen löschen. Dies bietet das Potenzial für eine sofortige Informationsübertragung. Man muss nur berücksichtigen, dass sich der Betrachter nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, und daher muss das Bild auf dem Bildschirm analysiert werden, nachdem die freien Photonen die Detektoren erreicht haben.
Praktische Umsetzung
Überlassen wir die Theorie den Theoretikern und kehren wir zum praktischen Teil unseres Experiments zurück. Um ein Bild auf dem Bildschirm zu erhalten, müssen Sie die Lichtquelle einschalten und den Photonenfluss auf den Bildschirm richten. Die Codierung von Informationen erfolgt auf einem entfernten Objekt durch die Bewegung eines durchscheinenden Spiegels auf dem Weg von
freien Photonen. Es wird angenommen, dass die sendende Vorrichtung Informationen in gleichen Zeitintervallen codiert, beispielsweise jedes Datenbit in einer Hundertstelsekunde überträgt.
Als Bildschirm können Sie eine empfindliche digitale Matrix verwenden, um abwechselnde Änderungen direkt aufzuzeichnen. Dann müssen die aufgezeichneten Informationen verschoben werden, bis die freien Photonen ihr Ziel erreichen. Danach können Sie die aufgezeichneten Informationen einzeln analysieren, um die übertragenen Informationen zu erhalten. Befindet sich das Codierungsgerät beispielsweise auf dem Mars, muss die Analyse der Informationen zehn bis zwanzig Minuten zu spät gestartet werden (genau so viel, wie das Licht benötigt, um den roten Planeten zu erreichen). Trotz der Tatsache, dass die Analyse von Informationen mit einer Verzögerung von mehreren zehn Minuten durchgeführt wird, entsprechen die empfangenen Informationen dem, was zum aktuellen Zeitpunkt vom Mars übertragen wird. Dementsprechend muss ein Laser-Entfernungsmesser zusammen mit der
Empfangsvorrichtung installiert werden, um das Zeitintervall genau zu bestimmen, ab dem mit der Analyse der übertragenen Informationen begonnen werden muss.
Es ist auch zu beachten, dass sich die Umgebung negativ auf die übertragenen Informationen auswirkt. Wenn Photonen den Luftraum passieren, tritt ein Dekohärenzprozess auf, der die Interferenz im übertragenen Signal erhöht. Um den Einfluss der Umwelt so weit wie möglich auszuschließen, ist es möglich, mithilfe von Kommunikationssatelliten Signale im luftlosen Raum zu übertragen.
Durch die Organisation der bidirektionalen Kommunikation ist es in Zukunft möglich, Kommunikationskanäle für die sofortige Informationsübertragung in jede Reichweite aufzubauen, in die unser Raumschiff gelangen kann. Solche Kommunikationskanäle sind einfach notwendig, wenn Sie einen schnellen Zugang zum Internet außerhalb unseres Planeten benötigen.
PS Es gibt eine Frage, die wir zu vermeiden versucht haben: Was passiert, wenn wir auf den Bildschirm schauen, bevor freie Photonen die Detektoren erreichen? Theoretisch (aus Sicht von Einsteins Relativitätstheorie) sollten wir die Ereignisse der Zukunft sehen. Wenn wir darüber hinaus inaktive Photonen von einem weit entfernten Spiegel reflektieren und zurückbringen, können wir unsere eigene Zukunft kennen. In Wirklichkeit ist unsere Welt jedoch viel mysteriöser, daher ist es schwierig, die richtige Antwort zu geben, ohne praktische Experimente durchzuführen. Vielleicht sehen wir die wahrscheinlichste Option für die Zukunft. Sobald wir diese Informationen erhalten, kann sich die Zukunft ändern und ein alternativer Zweig von Ereignissen entstehen (gemäß der Hypothese von Everetts Multi-World-Interpretation). Oder vielleicht sehen wir eine Mischung aus Interferenz und zwei Bändern (wenn das Bild alle möglichen Optionen für die Zukunft enthält).
Fortsetzung des Artikels ->PS Leider funktionierte dieses Schema nicht (auch das in der Fortsetzung dieses Artikels angegebene Schema), da eine sorgfältige Überprüfung der Berechnungen ergab, dass die Phasenverschiebung bei der Verwendung von quantenverschränkten Partikeln nicht berücksichtigt wurde.
Nützliche Links:Walborn, SP (2002). "Doppelspalt-Quantenradierer." Phys. Rev. A 65Quantenlöscher mit verzögerter Auswahl. Das Experiment von Kim et al. (1999)Quantenradierer-ExperimentRede von Tom CampbellVon Scully und Drul vorgeschlagener Quantenlöscher