Dans le monde moderne, les systèmes de communication jouent un rôle important dans le développement de notre monde. Les canaux de transfert d'informations embrouillent littéralement notre planète, reliant divers réseaux d'information en un seul Internet mondial. Le monde merveilleux de la technologie moderne comprend des découvertes de pointe de la science et de la technologie, souvent associées aux incroyables possibilités du monde quantique. Il est sûr de dire qu'aujourd'hui, les technologies quantiques sont fermement entrées dans nos vies. Tout équipement mobile dans nos poches est équipé d'une puce mémoire qui fonctionne en utilisant un tunnel de charge quantique. Une telle solution technique a permis aux ingénieurs de Toshiba de construire un transistor à grille flottante en 1984, qui est devenu la base de la construction de puces de mémoire modernes. Chaque jour, nous utilisons de tels appareils sans penser à la base de leur travail. Et tandis que les physiciens sont perplexes pour expliquer les paradoxes de la mécanique quantique, le développement technologique prend en charge les incroyables capacités du monde quantique.
Dans cet article, nous examinerons l'interférence de la lumière et analyserons les méthodes de construction d'un canal de communication pour le transfert instantané d'informations à l'aide des technologies quantiques. Bien que beaucoup croient qu'il est impossible de transmettre des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière, avec la bonne approche, même une telle tâche devient résoluble. Je pense que vous pouvez voir par vous-même.
Présentation
Beaucoup sont sûrement conscients d'un phénomène appelé interférence. Un faisceau de lumière est dirigé sur un écran opaque à deux fentes parallèles, derrière lequel un écran de projection est monté. La caractéristique des fentes est que leur largeur est approximativement égale à la longueur d'onde de la lumière émise. L'écran de projection produit une série de franges d'interférence alternées. Cette expérience, d'abord menée par Thomas Jung, démontre l'interférence de la lumière, qui est devenue une preuve expérimentale de la théorie des ondes de la lumière au début du 19e siècle.
Il est logique de supposer que les photons doivent passer à travers les interstices, créant deux bandes parallèles de lumière sur la lunette arrière. Mais à la place, beaucoup de bandes se forment à l'écran, dans lesquelles alternent des sections de lumière et d'obscurité. Le fait est que lorsque la lumière se comporte comme une onde, chaque fente est une source d'ondes secondaires. Dans les endroits où les ondes secondaires atteignent l'écran en une seule phase, leurs amplitudes s'additionnent, ce qui crée un maximum de luminosité. Et là où les ondes sont en antiphase, leurs amplitudes sont compensées, ce qui crée un minimum de luminosité. Des changements périodiques de luminosité lorsque des ondes secondaires superposées créent des franges d'interférence sur l'écran.
Mais pourquoi la lumière se comporte-t-elle comme une vague? Au début, les scientifiques ont suggéré que peut-être les photons entraient en collision et ont décidé de les libérer un par un. En moins d'une heure, un motif d'interférence est réapparu sur l'écran. Les tentatives pour expliquer ce phénomène ont conduit à supposer que le photon est séparé, passe à travers les deux fentes et que la collision entre elle forme un motif d'interférence sur l'écran.
La curiosité des scientifiques hantait. Ils voulaient savoir par quelle fente le photon passe vraiment et ont décidé d'observer. Pour révéler ce mystère, des détecteurs ont été placés devant chaque fente, qui ont enregistré le passage d'un photon. Au cours de l'expérience, il s'est avéré que le photon ne traverse qu'une seule fente, soit par la première, soit par la seconde. En conséquence, deux stries de lumière parallèles se sont formées sur l'écran, sans la moindre trace d'interférence. L'observation des photons a détruit la fonction d'onde de la lumière et les photons ont commencé à se comporter comme des particules! Tant que les photons sont dans l'incertitude quantique, ils se propagent comme des ondes. Mais lorsqu'ils sont observés, les photons perdent leur fonction d'onde et commencent à se comporter comme des particules.
Ensuite, l'expérience a été répétée à nouveau, avec les détecteurs allumés, mais sans enregistrer les données sur la trajectoire des photons. Malgré le fait que l'expérience répète complètement la précédente, à l'exception de la possibilité d'obtenir des informations, après un certain temps, un motif d'interférence de rayures claires et sombres est réapparu sur l'écran.
Il s'avère que l'effet n'est produit par aucune observation, mais seulement par lequel des informations sur la trajectoire du mouvement des photons peuvent être obtenues. Et cela est confirmé par l'expérience suivante, lorsque la trajectoire des photons n'est pas suivie à l'aide de détecteurs installés devant chaque fente, mais à l'aide de pièges supplémentaires grâce auxquels la trajectoire peut être restaurée sans interagir avec les photons d'origine.Gomme quantique
Commençons par le schéma le plus simple (il s'agit d'une représentation schématique de l'expérience et non d'un schéma d'installation réel).
Envoyez le faisceau laser à un miroir translucide
(PP) . Typiquement, un tel miroir réfléchit la moitié de la lumière incidente sur lui, et l'autre moitié passe à travers. Mais les photons, étant dans un état d'incertitude quantique, montant sur un miroir translucide, choisissent les deux directions en même temps. Ensuite, chaque rayon est réfléchi par les miroirs
(1) et
(2) sur l'écran, où l'on observe des franges d'interférence. Tout est simple et clair: les photons se comportent comme des ondes.
Essayons maintenant de comprendre le chemin parcouru par les photons - en haut ou en bas. Pour ce faire, nous installons sur chaque chemin des convertisseurs
(DC) . Un convertisseur abaisseur est un dispositif qui, lorsqu'un photon y pénètre, donne naissance à 2 photons à la sortie (chacun avec une demi-énergie), dont l'un frappe l'écran (
photon de signal ), et le second frappe le détecteur
(3) ou
(4) (
photon inactif ). Après avoir reçu des données des détecteurs, nous saurons quel chemin chaque photon a parcouru. Dans ce cas, l'image d'interférence disparaît, car nous avons découvert exactement où passaient les photons et avons donc détruit l'incertitude quantique.
De plus, nous compliquons un peu l'expérience. Nous plaçons des miroirs réfléchissants sur le chemin de chaque photon «inactif» et les dirigeons vers le deuxième miroir translucide (à gauche de la source dans le diagramme). Le passage du deuxième miroir translucide efface les informations sur la trajectoire des photons inactifs et restaure les interférences (selon le schéma de l'interféromètre de Mach Zehnder). Quel que soit le détecteur qui fonctionne, nous ne pourrons pas savoir quel chemin les photons ont parcouru. Avec ce schéma complexe, nous effaçons les informations de sélection de chemin et restaurons l'incertitude quantique. Par conséquent, un motif d'interférence s'affiche à l'écran.
Si nous décidons d'étendre les miroirs, alors les photons «
inactifs » retomberont sur les détecteurs
(3) et
(4) , et comme nous le savons, le motif d'interférence disparaîtra à l'écran. Cela signifie qu'en changeant la position des miroirs, nous pouvons changer l'image affichée sur l'écran. Vous pouvez donc l'utiliser pour coder des informations binaires.
Vous pouvez simplifier un peu l'expérience et obtenir le même résultat en déplaçant un miroir translucide sur le chemin des photons
«inactifs» :
Comme nous le voyons,
les photons
«inactifs» parcourent plus de distance que leurs partenaires qui ont frappé l'écran. Il est logique de supposer que si l'image à l'écran est formée plus tôt, alors l'image résultante ne devrait pas correspondre à la détermination de la trajectoire des photons ou à l'effacement de ces informations. Mais les
expériences pratiques montrent le contraire - quelle que soit la distance, l'image à l'écran correspond toujours aux actions effectuées avec des photons
inactifs . Selon les informations
de Wikipedia :
Le principal résultat de l'expérience est qu'il importe peu que le processus d'effacement ait été effectué avant ou après que les photons ont atteint l'écran du détecteur.
Une expérience similaire est également décrite dans le livre de Brian Green,
The Cloth of Cosmos and Space . Il semble incroyable de changer la causalité. Essayons de comprendre ce qui est quoi.
Un peu de théorie
Si nous regardons la théorie spéciale de la relativité d'Einstein, à mesure que la vitesse augmente, le temps ralentit selon la formule:
où
r est la durée, v est la vitesse relative de l'objet.La vitesse de la lumière est une quantité limitante, par conséquent, pour les particules de lumière (photons) elles-mêmes, le temps ralentit jusqu'à zéro. Plus exactement, pour les photons,
il n'y a pas de temps, pour eux, il n'y a que le moment actuel auquel ils se trouvent à n'importe quel point de leur trajectoire. Cela peut sembler étrange, car nous sommes habitués à croire que la lumière d'étoiles lointaines nous atteint des millions d'années plus tard. Mais avec l'ISO des particules de lumière, les photons atteignent l'observateur au même moment, dès qu'ils sont émis par des étoiles lointaines.
Le fait est que l'heure actuelle des objets stationnaires et des objets en mouvement peut ne pas coïncider. Pour représenter le temps, il faut considérer l'espace-temps comme un bloc continu étiré dans le temps. Les tranches formant le bloc sont des moments présents pour l'observateur. Chaque tranche représente l'espace à un moment donné de son point de vue. Ce moment comprend tous les points de l'espace et tous les événements de l'univers, qui sont présentés à l'observateur comme se produisant en même temps.
Selon la vitesse du mouvement, une tranche du présent divisera l'espace-temps sous différents angles. Dans le sens du mouvement, la tranche du présent tend à se déplacer vers le futur. Dans le sens opposé, la tranche du présent a tendance à basculer dans le passé.
Plus la vitesse de déplacement est élevée, plus l'angle de coupe est grand. À la vitesse de la lumière, la tranche du temps présent a un angle de déplacement maximal de 45 °, moment auquel le temps s'arrête et les photons sont à un moment donné en tout point de leur chemin.
Une question raisonnable se pose: comment un photon peut-il se trouver simultanément à différents points de l'espace? Essayons de comprendre ce qui arrive à l'espace à la vitesse de la lumière. Comme vous le savez, à mesure que la vitesse augmente, l'effet de la réduction relativiste de la longueur est observé, selon la formule:
où
l est la longueur et v est la vitesse relative de l'objet.Il n'est pas difficile de remarquer qu'à la vitesse de la lumière, n'importe quelle longueur dans l'espace sera compressée à zéro. Ainsi, dans la direction des photons, l'espace est compressé en un petit point de la taille de Planck, où le concept même d'espace-temps disparaît. On peut dire que pour les photons,
il n'y a pas d' espace, car toute leur trajectoire dans l'espace avec les photons IFR est en un point.
Ainsi, nous savons maintenant que quelle que soit la distance parcourue, le
signal et
les photons
inactifs atteignent simultanément l'écran et les détecteurs, car du point de vue des photons
il n'y a ni temps ni espace. Étant donné le couplage quantique du
signal et des photons
inactifs , tout effet sur un photon affectera instantanément l'état de son partenaire. Par conséquent, l'image à l'écran doit toujours correspondre à la détermination de la trajectoire des photons ou à l'effacement de ces informations. Cela offre la possibilité d'un transfert d'informations instantané. Il suffit de considérer que l'observateur ne se déplace pas à la vitesse de la lumière, et donc l'image à l'écran doit être analysée après que les photons inactifs atteignent les détecteurs.
Mise en œuvre pratique
Laissons la théorie aux théoriciens et revenons à la partie pratique de notre expérience. Pour obtenir une image à l'écran, vous devez allumer la source lumineuse et diriger le flux de photons vers l'écran. Le codage des informations se fera sur un objet distant, par le mouvement d'un miroir translucide sur le chemin des photons
inactifs . Il est supposé que le dispositif de transmission va coder des informations à des intervalles de temps égaux, par exemple, transmettre chaque bit de données en un centième de seconde.
En tant qu'écran, vous pouvez utiliser une matrice numérique sensible pour enregistrer directement les changements alternés. Ensuite, les informations enregistrées doivent être reportées jusqu'à ce que les photons inactifs atteignent leur destination. Après cela, vous pouvez commencer à analyser les informations enregistrées une par une pour obtenir les informations transmises. Par exemple, si le dispositif de codage est sur Mars, alors l'analyse des informations doit commencer tardivement pendant dix à vingt minutes (exactement autant que la lumière prend pour atteindre la planète rouge). Malgré le fait que l'analyse des informations soit effectuée avec un retard de dizaines de minutes, les informations reçues correspondront à ce qui est transmis de Mars à l'instant présent. En conséquence, un télémètre laser devra être installé avec le dispositif
récepteur afin de déterminer avec précision l'intervalle de temps à partir duquel il est nécessaire de commencer à analyser les informations transmises.
Il convient également de noter que l'environnement a un effet négatif sur les informations transmises. Lorsque les photons traversent l'espace aérien, un processus de décohérence se produit, augmentant les interférences dans le signal transmis. Afin d'exclure autant que possible l'influence de l'environnement, il est possible de transmettre des signaux dans un espace sans air à l'aide de satellites de communication.
En organisant une communication bidirectionnelle, à l'avenir, il est possible de créer des canaux de communication pour le transfert instantané d'informations vers n'importe quelle plage à laquelle notre vaisseau spatial peut atteindre. Ces canaux de communication seront tout simplement nécessaires si vous avez besoin d'un accès rapide à Internet en dehors de notre planète.
PS Il y a une question que nous avons essayé d'éviter: que se passe-t-il si nous regardons l'écran avant que les photons inactifs n'atteignent les détecteurs? Théoriquement (du point de vue de la théorie de la relativité d'Einstein), nous devrions voir les événements du futur. De plus, si nous réfléchissons des photons inactifs à partir d'un miroir éloigné et les rapportons, nous pourrions connaître notre propre avenir. Mais en réalité, notre monde est beaucoup plus mystérieux, par conséquent, il est difficile de donner la bonne réponse sans mener des expériences pratiques. Peut-être verrons-nous l'option la plus probable pour l'avenir. Mais dès que nous aurons ces informations, l’avenir pourrait changer et une branche alternative des événements se produira (selon l’hypothèse de l’interprétation multi-monde d’Everett). Ou peut-être verrons-nous un mélange d'interférences et de deux bandes (si l'image est composée de toutes les options possibles pour l'avenir).
Suite de l'article ->PS Malheureusement, ce schéma ne fonctionnait pas (également le schéma donné dans la suite de cet article), car une vérification minutieuse des calculs a révélé que le déphasage n'était pas pris en compte lors de l'utilisation de particules enchevêtrées quantiques.
Liens utiles:Walborn, SP (2002). "Gomme Quantique Double Fente." Phys. Rev. A 65Gomme quantique à choix retardé. L'expérience de Kim et al. (1999)Expérience de gomme quantiqueDiscours de Tom CampbellGomme quantique proposée par Scully et Drul