En el mundo moderno, los sistemas de comunicación juegan un papel importante en el desarrollo de nuestro mundo. Los canales de transferencia de información literalmente enredan nuestro planeta, conectando varias redes de información en un solo Internet global. El maravilloso mundo de la tecnología moderna incluye descubrimientos de vanguardia de la ciencia y la tecnología, a menudo asociados con las increíbles posibilidades del mundo cuántico. Es seguro decir que hoy, las tecnologías cuánticas han entrado firmemente en nuestras vidas. Cualquier equipo móvil en nuestros bolsillos está equipado con un chip de memoria que funciona utilizando túneles de carga cuántica. Tal solución técnica permitió a los ingenieros de Toshiba construir un transistor de puerta flotante en 1984, que se convirtió en la base para construir chips de memoria modernos. Todos los días usamos dichos dispositivos sin pensar en qué se basa su trabajo. Y mientras los físicos desconciertan la explicación de las paradojas de la mecánica cuántica, el desarrollo tecnológico está adquiriendo las increíbles capacidades del mundo cuántico.
En este artículo consideraremos la interferencia de la luz y analizaremos los métodos para construir un canal de comunicación para la transferencia instantánea de información utilizando tecnologías cuánticas. Aunque muchos creen que es imposible transmitir información más rápido que la velocidad de la luz, con el enfoque correcto, incluso tal tarea se vuelve solucionable. Creo que puedes verlo por ti mismo.
Introduccion
Seguramente muchos son conscientes de un fenómeno llamado interferencia. Un haz de luz se dirige a una pantalla opaca con dos ranuras paralelas, detrás de las cuales se monta una pantalla de proyección. La característica de las ranuras es que su ancho es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz emitida. La pantalla de proyección produce una serie de franjas de interferencia alterna. Este experimento, realizado por primera vez por Thomas Jung, demuestra la interferencia de la luz, que se convirtió en una prueba experimental de la teoría ondulatoria de la luz a principios del siglo XIX.
Es lógico suponer que los fotones deben pasar a través de los espacios, creando dos rayas paralelas de luz en la pantalla trasera. Pero en cambio, se forman muchas bandas en la pantalla, en las que se alternan secciones de luz y oscuridad. El hecho es que cuando la luz se comporta como una onda, cada ranura es una fuente de ondas secundarias. En lugares donde las ondas secundarias alcanzan la pantalla en una fase, se suman sus amplitudes, lo que crea un máximo de brillo. Y donde las ondas están en antifase, se compensan sus amplitudes, lo que crea un mínimo de brillo. Los cambios periódicos en el brillo cuando las ondas secundarias superpuestas crean franjas de interferencia en la pantalla.
Pero, ¿por qué la luz se comporta como una onda? Al principio, los científicos sugirieron que tal vez los fotones colisionan entre sí y decidieron liberarlos uno por uno. En una hora, un patrón de interferencia reapareció en la pantalla. Los intentos de explicar este fenómeno llevaron a la suposición de que el fotón está separado, pasa a través de ambas rendijas y colisionando forma un patrón de interferencia en la pantalla.
La curiosidad de los científicos persiguió. Querían saber a través de qué ranura pasa realmente el fotón, y decidieron observar. Para revelar este misterio, se colocaron detectores frente a cada ranura, que registraron el paso de un fotón. Durante el experimento, resultó que el fotón pasa a través de una sola rendija, ya sea a través de la primera o a través de la segunda. Como resultado, se formaron dos rayas paralelas de luz en la pantalla, sin un solo indicio de interferencia. La observación de fotones destruyó la función de onda de la luz, ¡y los fotones comenzaron a comportarse como partículas! Mientras los fotones estén en incertidumbre cuántica, se propagan como ondas. Pero cuando se observan, los fotones pierden su función de onda y comienzan a comportarse como partículas.
Luego, el experimento se repitió nuevamente, con los detectores encendidos, pero sin registrar datos en la trayectoria del fotón. A pesar de que el experimento repite completamente el anterior, con la excepción de la posibilidad de obtener información, después de un tiempo, un patrón de interferencia de rayas claras y oscuras reapareció en la pantalla.
Resulta que el efecto no se produce por ninguna observación, sino solo por el cual se puede obtener información sobre la trayectoria del movimiento de los fotones. Y esto se confirma con el siguiente experimento, cuando la trayectoria de los fotones se rastrea no con la ayuda de detectores instalados frente a cada ranura, sino con la ayuda de trampas adicionales por las cuales es posible restaurar la trayectoria del movimiento sin interactuar con los fotones originales.Borrador cuántico
Comencemos con el esquema más simple (esta es una representación esquemática del experimento, y no un esquema de instalación real).
Envíe el rayo láser a un espejo translúcido
(PP) . Típicamente, dicho espejo refleja la mitad de la luz incidente sobre él, y la otra mitad lo atraviesa. Pero los fotones, al estar en un estado de incertidumbre cuántica, al subirse a un espejo translúcido, eligen ambas direcciones al mismo tiempo. Luego, cada rayo se refleja por los espejos
(1) y
(2) en la pantalla, donde observamos franjas de interferencia. Todo es simple y claro: los fotones se comportan como ondas.
Ahora tratemos de entender qué camino tomaron los fotones, en la parte superior o inferior. Para hacer esto, en cada ruta colocamos convertidores
(DC) . Un convertidor descendente es un dispositivo que, cuando ingresa un fotón, da lugar a 2 fotones en la salida (cada uno con media energía), uno de los cuales golpea la pantalla (
fotón de señal ), y el segundo ingresa al detector
(3) o
(4) (
fotón inactivo ). Habiendo recibido datos de los detectores, sabremos qué camino recorrió cada fotón. En este caso, la imagen de interferencia desaparece, porque descubrimos exactamente dónde pasaron los fotones y, por lo tanto, destruimos la incertidumbre cuántica.
Además, complicamos un poco el experimento. Ponemos espejos reflectantes en el camino de cada fotón "inactivo" y los dirigimos al segundo espejo translúcido (a la izquierda de la fuente en el diagrama). El paso del segundo espejo translúcido borra la información sobre la trayectoria de los fotones inactivos y restaura la interferencia (de acuerdo con el esquema del interferómetro Mach Zehnder). Independientemente de cuál de los detectores funcione, no podremos averiguar qué camino recorrieron los fotones. Con este intrincado esquema, borramos la información de selección de ruta y restauramos la incertidumbre cuántica. Como resultado, se mostrará un patrón de interferencia en la pantalla.
Si decidimos extender los espejos, entonces los fotones "
inactivos " caerán nuevamente sobre los detectores
(3) y
(4) , y como sabemos, el patrón de interferencia desaparecerá en la pantalla. Esto significa que al cambiar la posición de los espejos, podemos cambiar la imagen que se muestra en la pantalla. Entonces puede usar esto para codificar información binaria.
Puede simplificar un poco el experimento y obtener el mismo resultado moviendo un espejo translúcido en el camino de los fotones
"inactivos" :
Como vemos, los fotones
"inactivos" viajan más distancia que sus compañeros que golpean la pantalla. Es lógico suponer que si la imagen en la pantalla se forma antes, la imagen resultante no debería corresponder a si determinamos la trayectoria de los fotones o borramos esta información. Pero
los experimentos prácticos muestran lo contrario: independientemente de la distancia, la imagen en la pantalla siempre corresponde a las acciones realizadas con fotones
inactivos . Según la información
de Wikipedia :
El principal resultado del experimento es que no importa si el proceso de borrado se realizó antes o después de que los fotones llegaran a la pantalla del detector.
Una experiencia similar también se describe en el libro de Brian Green,
The Cloth of Cosmos and Space . Parece increíble causalidad cambiante. Intentemos averiguar qué es qué.
Poco de teoría
Si observamos la teoría especial de la relatividad de Einstein, a medida que aumenta la velocidad, el tiempo se ralentiza según la fórmula:
donde
r es el período de tiempo, v es la velocidad relativa del objeto.La velocidad de la luz es una cantidad limitante, por lo tanto, para las partículas de luz (fotones), el tiempo se ralentiza a cero. Más correctamente, para los fotones
no hay tiempo, para ellos solo existe el momento actual en el que se encuentran en cualquier punto de su trayectoria. Esto puede parecer extraño, porque estamos acostumbrados a creer que la luz de estrellas distantes nos llega millones de años después. Pero con el ISO de las partículas de luz, los fotones llegan al observador en el mismo momento, tan pronto como son emitidos por estrellas distantes.
El hecho es que el tiempo presente para objetos estacionarios y objetos en movimiento puede no coincidir. Para representar el tiempo, es necesario considerar el espacio-tiempo como un bloque continuo estirado en el tiempo. Las rebanadas que forman el bloque son momentos presentes para el observador. Cada segmento representa el espacio en un punto en el tiempo desde su punto de vista. Este momento incluye todos los puntos del espacio y todos los eventos en el universo, que se presentan al observador como sucediendo al mismo tiempo.
Dependiendo de la velocidad del movimiento, una porción del tiempo presente dividirá el espacio-tiempo en diferentes ángulos. En la dirección del movimiento, la porción del presente tiende a desplazarse hacia el futuro. En la dirección opuesta, la porción del presente tiende a desplazarse hacia el pasado.
Cuanto mayor es la velocidad de movimiento, mayor es el ángulo de corte. A la velocidad de la luz, la porción del tiempo presente tiene un ángulo máximo de desplazamiento de 45 °, momento en el que se detiene y los fotones se encuentran en un momento en cualquier punto de su trayectoria.
Surge una pregunta razonable: ¿cómo puede un fotón estar simultáneamente en diferentes puntos del espacio? Tratemos de descubrir qué le sucede al espacio a la velocidad de la luz. Como saben, a medida que aumenta la velocidad, se observa el efecto de la reducción relativista en la longitud, de acuerdo con la fórmula:
donde
l es la longitud y v es la velocidad relativa del objeto.No es difícil notar que a la velocidad de la luz, cualquier longitud en el espacio se comprimirá a tamaño cero. Entonces, en la dirección de los fotones, el espacio se comprime en un pequeño punto del tamaño de Planck, en el cual el concepto mismo de espacio-tiempo desaparece. Se puede decir que para los fotones
no hay espacio, ya que toda su trayectoria en el espacio con fotones IFR está en un punto.
Entonces, ahora sabemos que, independientemente de la distancia recorrida, la
señal y los fotones
inactivos alcanzan simultáneamente la pantalla y los detectores, ya que desde el punto de vista de los fotones
no hay tiempo ni espacio. Dado el acoplamiento cuántico de la
señal y los fotones
inactivos , cualquier efecto en un fotón afectará instantáneamente el estado de su compañero. En consecuencia, la imagen en la pantalla siempre debe corresponder a si determinamos la trayectoria de los fotones o borramos esta información. Esto proporciona el potencial para la transferencia de información instantánea. Solo hay que considerar que el observador no se mueve a la velocidad de la luz y, por lo tanto, la imagen en la pantalla debe analizarse después de que los fotones inactivos lleguen a los detectores.
Implementación práctica
Dejemos la teoría a los teóricos y regresemos a la parte práctica de nuestro experimento. Para obtener una imagen en la pantalla, debe encender la fuente de luz y dirigir el flujo de fotones a la pantalla. La codificación de la información ocurrirá en un objeto remoto, por el movimiento de un espejo translúcido en el camino de los fotones
inactivos . Se supone que el dispositivo de transmisión codificará la información a intervalos de tiempo iguales, por ejemplo, transmitirá cada bit de datos en una centésima de segundo.
Como pantalla, puede usar una matriz digital sensible para grabar directamente cambios alternos. Luego, la información registrada debe posponerse hasta que los fotones inactivos lleguen a su destino. Después de eso, puede comenzar a analizar la información grabada uno por uno para obtener la información transmitida. Por ejemplo, si el dispositivo de codificación está en Marte, entonces el análisis de la información debe iniciarse con un retraso de diez a veinte minutos (exactamente lo que tarda la luz en llegar al planeta rojo). A pesar de que el análisis de la información se lleva a cabo con un retraso de decenas de minutos, la información recibida corresponderá a lo que se transmite desde Marte en el momento actual. En consecuencia, se deberá instalar un telémetro láser junto con el dispositivo
receptor para determinar con precisión el intervalo de tiempo a partir del cual es necesario comenzar a analizar la información transmitida.
También debe tenerse en cuenta que el entorno tiene un efecto negativo en la información transmitida. Cuando los fotones pasan a través del espacio aéreo, se produce un proceso de decoherencia, lo que aumenta la interferencia en la señal transmitida. Para excluir la influencia del medio ambiente tanto como sea posible, es posible transmitir señales en el espacio sin aire utilizando satélites de comunicación.
Al organizar la comunicación bidireccional, en el futuro es posible construir canales de comunicación para la transferencia instantánea de información a cualquier rango al que pueda llegar nuestra nave espacial. Dichos canales de comunicación serán simplemente necesarios si necesita un acceso rápido a Internet fuera de nuestro planeta.
PD: Hay una pregunta que intentamos evitar: ¿qué sucede si miramos la pantalla antes de que los fotones inactivos lleguen a los detectores? Teóricamente (desde el punto de vista de la teoría de la relatividad de Einstein), deberíamos ver los eventos del futuro. Además, si reflejamos fotones inactivos desde un espejo situado lejos y los traemos de vuelta, podríamos conocer nuestro propio futuro. Pero en realidad, nuestro mundo es mucho más misterioso, por lo tanto, es difícil dar la respuesta correcta sin realizar experimentos prácticos. Quizás veamos la opción más probable para el futuro. Pero tan pronto como obtengamos esta información, el futuro puede cambiar y surgirá una rama alternativa de eventos (de acuerdo con la hipótesis de la interpretación multimundo de Everett). O tal vez veremos una mezcla de interferencia y dos bandas (si la imagen está compuesta de todas las opciones posibles para el futuro).
Continuación del artículo ->PD Desafortunadamente, este esquema no estaba funcionando (también el esquema dado en la continuación de este artículo), ya que una cuidadosa verificación de los cálculos reveló que el cambio de fase no se tuvo en cuenta al usar partículas cuánticas entrelazadas.
Enlaces utiles:Walborn, SP (2002). "Borrador cuántico de doble rendija". Phys. Rev. A 65Borrador cuántico de elección retrasada. El experimento de Kim et al. (1999)Experimento de borrador cuánticoDiscurso de Tom CampbellBorrador cuántico propuesto por Scully y Drul