सूचना हस्तांतरण प्रकाश की गति से तेज है। लंबी दूरी की संचार प्रणाली का निर्माण

आधुनिक दुनिया में, संचार प्रणाली हमारे विश्व के विकास में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। सूचना हस्तांतरण चैनल शाब्दिक रूप से हमारे ग्रह को एक ही वैश्विक इंटरनेट में विभिन्न सूचना नेटवर्क से जोड़ते हैं। आधुनिक तकनीक की अद्भुत दुनिया में विज्ञान और प्रौद्योगिकी की अत्याधुनिक खोजें शामिल हैं, जो अक्सर क्वांटम दुनिया की अद्भुत संभावनाओं से जुड़ी होती हैं। यह कहना सुरक्षित है कि आज, क्वांटम प्रौद्योगिकियों ने दृढ़ता से हमारे जीवन में प्रवेश किया है। हमारी जेब में कोई भी मोबाइल उपकरण एक मेमोरी चिप से लैस है जो क्वांटम चार्ज टनलिंग का उपयोग करके काम करता है। इस तरह के तकनीकी समाधान ने 1984 में तोशिबा इंजीनियरों को एक फ्लोटिंग गेट ट्रांजिस्टर बनाने की अनुमति दी, जो आधुनिक मेमोरी चिप्स के निर्माण का आधार बन गया। हर दिन हम इस तरह के उपकरणों का उपयोग बिना सोचे समझे करते हैं कि उनका काम क्या है। और जब भौतिक विज्ञानी क्वांटम यांत्रिकी के विरोधाभासों को समझाने के लिए व्याकुल हो रहे हैं, तो क्वांटम दुनिया की अद्भुत क्षमताओं पर तकनीकी विकास हो रहा है।

इस लेख में हम प्रकाश के हस्तक्षेप पर विचार करेंगे, और क्वांटम प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके तत्काल सूचना हस्तांतरण के लिए एक संचार चैनल के निर्माण के तरीकों का विश्लेषण करेंगे। हालांकि कई लोग मानते हैं कि सही दृष्टिकोण के साथ, प्रकाश की गति की तुलना में जानकारी को तेजी से प्रसारित करना असंभव है, यहां तक ​​कि इस तरह के कार्य को हल करने योग्य हो जाता है। मुझे लगता है कि आप अपने लिए देख सकते हैं।

परिचय

निश्चित रूप से कई एक घटना के बारे में जानते हैं जिसे हस्तक्षेप कहा जाता है। प्रकाश की एक बीम को दो समानांतर स्लॉट्स के साथ एक अपारदर्शी स्क्रीन पर निर्देशित किया जाता है, जिसके पीछे एक प्रक्षेपण स्क्रीन घुड़सवार होती है। स्लॉट्स की विशेषता यह है कि उनकी चौड़ाई उत्सर्जित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के लगभग बराबर है। प्रोजेक्शन स्क्रीन बारी-बारी से हस्तक्षेप करने वाली फ्रिंज की एक श्रृंखला का निर्माण करती है। थॉमस जुंग द्वारा पहली बार किया गया यह प्रयोग प्रकाश के हस्तक्षेप को प्रदर्शित करता है, जो 19 वीं शताब्दी की शुरुआत में प्रकाश के तरंग सिद्धांत का एक प्रायोगिक प्रमाण बन गया।

यह मानना ​​तर्कसंगत है कि फोटॉन को अंतराल के माध्यम से गुजरना होगा, जिससे रियर स्क्रीन पर प्रकाश के दो समानांतर धारियाँ बन सकती हैं। लेकिन इसके बजाय, स्क्रीन पर बहुत सारे बैंड बनते हैं, जिसमें प्रकाश और अंधेरे के खंड वैकल्पिक होते हैं। तथ्य यह है कि जब प्रकाश एक लहर की तरह व्यवहार करता है, तो प्रत्येक स्लॉट माध्यमिक तरंगों का एक स्रोत होता है। उन जगहों पर जहां माध्यमिक तरंगें एक चरण में स्क्रीन तक पहुंचती हैं, उनके आयाम जोड़ते हैं, जो अधिकतम चमक बनाता है। और जहां लहरें एंटीपेज़ हैं, उनके आयामों को मुआवजा दिया जाता है, जो न्यूनतम चमक बनाता है। सुपरिंपोजेड सेकंडरी वेव्स जब स्क्रीन पर इंटरफेरिंग फ्रिंज बनाती हैं तो ब्राइटनेस में समय-समय पर बदलाव होते हैं।

लेकिन प्रकाश एक लहर की तरह व्यवहार क्यों करता है? शुरुआत में, वैज्ञानिकों ने सुझाव दिया कि शायद फोटॉन एक दूसरे से टकराते हैं और उन्हें एक-एक करके छोड़ने का फैसला किया। एक घंटे के भीतर, स्क्रीन पर एक हस्तक्षेप पैटर्न फिर से दिखाई दिया। इस घटना को समझाने का प्रयास इस धारणा के कारण हुआ कि फोटॉन अलग हो गया है, दोनों स्लिट्स से गुजरता है, और खुद को टकराने से स्क्रीन पर एक हस्तक्षेप पैटर्न बनता है।

वैज्ञानिकों की उत्सुकता का सबब बन गया। वे यह जानना चाहते थे कि वास्तव में फोटॉन किस माध्यम से गुजरता है, और निरीक्षण करने का फैसला किया। इस रहस्य को प्रकट करने के लिए, प्रत्येक भट्ठा के सामने डिटेक्टर लगाए गए थे, जो एक फोटॉन के पारित होने को दर्ज करता था। प्रयोग के दौरान, यह पता चला कि फोटॉन केवल एक भट्ठा से होकर गुजरता है, या तो पहले के माध्यम से या दूसरे के माध्यम से। नतीजतन, स्क्रीन के दो समानांतर धारियाँ बिना किसी बाधा के एक स्क्रीन पर बनती हैं। फोटोन के अवलोकन ने प्रकाश की तरंग क्रिया को नष्ट कर दिया, और फोटोन कणों की तरह व्यवहार करने लगे! जब तक फोटॉनों क्वांटम अनिश्चितता में होते हैं, वे तरंगों की तरह प्रचार करते हैं। लेकिन जब वे देखे जाते हैं, तो फोटॉनों अपने तरंग फ़ंक्शन को खो देते हैं और कणों की तरह व्यवहार करना शुरू कर देते हैं।

फिर डिटेक्टरों के साथ प्रयोग फिर से दोहराया गया, लेकिन फोटॉन प्रक्षेपवक्र पर डेटा रिकॉर्ड किए बिना। इस तथ्य के बावजूद कि प्रयोग पूरी तरह से पिछले एक को दोहराता है, जानकारी प्राप्त करने की संभावना के अपवाद के साथ, कुछ समय बाद स्क्रीन पर प्रकाश और अंधेरे धारियों का एक हस्तक्षेप पैटर्न फिर से दिखाई देता है।

यह पता चला है कि प्रभाव किसी भी अवलोकन द्वारा नहीं बनाया गया है, लेकिन केवल फोटॉन की गति के प्रक्षेपवक्र पर जानकारी प्राप्त की जा सकती है। और इसकी पुष्टि निम्न प्रयोग से की जाती है, जब फोटॉन प्रक्षेपवक्र को प्रत्येक भट्ठा के सामने स्थापित डिटेक्टरों की मदद से ट्रैक नहीं किया जाता है, लेकिन अतिरिक्त जाल की मदद से जिसके द्वारा मूल फोटोन के साथ बातचीत किए बिना प्रक्षेपवक्र को बहाल किया जा सकता है।

क्वांटम इरेज़र

आइए सबसे सरल योजना से शुरू करें (यह प्रयोग का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व है, और वास्तविक स्थापना योजना नहीं)।


एक पारभासी दर्पण (पीपी) में लेजर बीम भेजें। आमतौर पर, इस तरह का दर्पण उस पर प्रकाश की घटना के आधे हिस्से को दर्शाता है, और दूसरा आधा गुजरता है। लेकिन फोटॉनों, क्वांटम अनिश्चितता की स्थिति में, पारभासी दर्पण पर होने के कारण, एक ही समय में दोनों दिशाओं का चयन करते हैं। फिर, प्रत्येक किरण स्क्रीन पर दर्पण (1) और (2) से परिलक्षित होती है, जहां हम हस्तक्षेप फ्रिंज का निरीक्षण करते हैं। सब कुछ सरल और स्पष्ट है: फोटॉन तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं।


अब यह समझने की कोशिश करें कि फोटॉन किस पथ पर ऊपर या नीचे गया है। ऐसा करने के लिए, प्रत्येक पथ पर हम कन्वर्टर्स (डीसी) डालते हैं। एक डाउन कन्वर्टर एक ऐसा उपकरण है, जो जब एक फोटॉन में प्रवेश करता है, तो आउटपुट पर 2 फोटॉन देता है (प्रत्येक आधी ऊर्जा के साथ), जिसमें से एक स्क्रीन ( सिग्नल फोटॉन ) को हिट करता है, और दूसरा डिटेक्टर (3) या (4) में जाता है निष्क्रिय फोटॉन )। डिटेक्टरों से डेटा प्राप्त करने के बाद, हमें पता चल जाएगा कि प्रत्येक फोटॉन ने किस मार्ग पर यात्रा की। इस मामले में, हस्तक्षेप की तस्वीर गायब हो जाती है, क्योंकि हमें पता चला कि वास्तव में जहां फोटोन पारित हुए, और इसलिए क्वांटम अनिश्चितता को नष्ट कर दिया।


इसके अलावा हम प्रयोग को थोड़ा जटिल करते हैं। हम प्रत्येक "निष्क्रिय" फोटॉन के पथ पर प्रतिबिंबित दर्पण लगाते हैं और उन्हें दूसरे पारभासी दर्पण (आरेख में स्रोत के बाईं ओर) में निर्देशित करते हैं। दूसरे पारभासी दर्पण के पारित होने से निष्क्रिय फोटॉनों के प्रक्षेपवक्र और पुनर्स्थापना व्यवधान (माच जेन्डर इंटरफेरोमीटर की योजना के अनुसार) के बारे में जानकारी मिट जाती है। भले ही डिटेक्टरों में से कौन सा काम करता है, हम यह पता नहीं कर पाएंगे कि किस पथ फोटॉनों ने यात्रा की। इस जटिल योजना के साथ, हम पथ चयन जानकारी को मिटा देते हैं और क्वांटम अनिश्चितता को बहाल करते हैं। नतीजतन, स्क्रीन पर एक हस्तक्षेप पैटर्न प्रदर्शित किया जाएगा।

यदि हम दर्पण का विस्तार करने का निर्णय लेते हैं, तो " निष्क्रिय " फोटोन फिर से डिटेक्टरों (3) और (4) पर गिरेंगे, और जैसा कि हम जानते हैं, स्क्रीन पर हस्तक्षेप पैटर्न गायब हो जाएगा। इसका मतलब है कि दर्पण की स्थिति को बदलकर, हम स्क्रीन पर प्रदर्शित चित्र को बदल सकते हैं। तो आप बाइनरी जानकारी को एन्कोड करने के लिए इसका उपयोग कर सकते हैं।


आप प्रयोग को सरल बना सकते हैं और "निष्क्रिय" फोटॉन के पथ में पारभासी दर्पण को स्थानांतरित करके समान परिणाम प्राप्त कर सकते हैं:


जैसा कि हम देखते हैं, "निष्क्रिय" फोटोन अपने सहयोगियों की तुलना में अधिक दूरी की यात्रा करते हैं जो स्क्रीन को हिट करते हैं। यह मानना ​​तर्कसंगत है कि यदि स्क्रीन पर छवि पहले से बनती है, तो परिणामी तस्वीर इस बात से मेल नहीं खाती है कि क्या हम फोटॉनों के प्रक्षेपवक्र का निर्धारण करते हैं या इस जानकारी को मिटा देते हैं। लेकिन व्यावहारिक प्रयोग विपरीत दिखाते हैं - दूरी की परवाह किए बिना, स्क्रीन पर छवि हमेशा निष्क्रिय फोटॉन के साथ किए गए कार्यों से मेल खाती है। विकिपीडिया से मिली जानकारी के अनुसार:

प्रयोग का मुख्य परिणाम यह है कि इससे कोई फर्क नहीं पड़ता है कि फोटॉनों को डिटेक्टर स्क्रीन पर पहुंचने से पहले या बाद में मिटाने की प्रक्रिया की गई थी या नहीं।

इसी तरह का अनुभव ब्रायन ग्रीन की पुस्तक, द क्लॉथ ऑफ कॉसमॉस एंड स्पेस में भी वर्णित है। यह अविश्वसनीय बदलते कारण लगता है। आइए जानने की कोशिश करते हैं कि क्या है।

सिद्धांत की बिट

यदि हम समय बढ़ने के साथ आइंस्टीन के सापेक्षता के विशेष सिद्धांत को देखते हैं, तो समय सूत्र के अनुसार धीमा हो जाता है:

जहाँ r समय की लंबाई है, v वस्तु की सापेक्ष गति है।

प्रकाश की गति एक सीमित मात्रा है, इसलिए, स्वयं प्रकाश (फोटॉनों) के कणों के लिए, समय शून्य तक धीमा हो जाता है। अधिक सही ढंग से, फोटॉनों के लिए कोई समय नहीं है, उनके लिए केवल वर्तमान क्षण है जिस पर वे अपने प्रक्षेपवक्र पर किसी भी बिंदु पर हैं। यह अजीब लग सकता है, क्योंकि हम यह विश्वास करने के आदी हैं कि दूर के तारों से प्रकाश लाखों वर्षों बाद हम तक पहुँचता है। लेकिन प्रकाश के कणों के आईएसओ के साथ, फोटॉन पर्यवेक्षक तक उसी समय में पहुंचते हैं, जैसे ही वे दूर के सितारों द्वारा उत्सर्जित होते हैं।

तथ्य यह है कि स्थिर वस्तुओं और चलती वस्तुओं के लिए वर्तमान समय संयोग नहीं हो सकता है। समय का प्रतिनिधित्व करने के लिए, अंतरिक्ष-समय पर विचार करना आवश्यक है क्योंकि समय में निरंतर ब्लॉक होता है। ब्लॉक बनाने वाले स्लाइस प्रेक्षक के लिए उपस्थित क्षण होते हैं। प्रत्येक टुकड़ा अपने दृष्टिकोण से समय में एक बिंदु पर अंतरिक्ष का प्रतिनिधित्व करता है। इस क्षण में अंतरिक्ष के सभी बिंदु और ब्रह्मांड में सभी घटनाएं शामिल हैं, जो एक ही समय में होने वाली के रूप में पर्यवेक्षक को प्रस्तुत की जाती हैं।


गति की गति के आधार पर, वर्तमान काल का एक टुकड़ा अंतरिक्ष-समय को विभिन्न कोणों में विभाजित करेगा। आंदोलन की दिशा में, वर्तमान का टुकड़ा भविष्य में स्थानांतरित हो जाता है। विपरीत दिशा में, वर्तमान का टुकड़ा अतीत में स्थानांतरित हो जाता है।

गति की गति जितनी अधिक होगी, कट का कोण उतना ही अधिक होगा। प्रकाश की गति पर, वर्तमान समय के स्लाइस में 45 ° के विस्थापन का अधिकतम कोण होता है, जिस पर समय रुक जाता है और फोटॉन अपने पथ पर किसी भी बिंदु पर एक समय में एक समय पर होते हैं।

एक वाजिब सवाल यह उठता है कि अंतरिक्ष में एक फोटॉन एक साथ विभिन्न बिंदुओं पर कैसे हो सकता है? आइए यह पता लगाने की कोशिश करें कि प्रकाश की गति से अंतरिक्ष में क्या होता है। जैसा कि आप जानते हैं, जैसे-जैसे गति बढ़ती है, सूत्र के अनुसार लंबाई में सापेक्षता में कमी का प्रभाव देखा जाता है:

जहां l लंबाई और v वस्तु की सापेक्ष गति है।

यह नोटिस करना मुश्किल नहीं है कि प्रकाश की गति पर, अंतरिक्ष में किसी भी लंबाई को शून्य आकार में संकुचित किया जाएगा। इसलिए, फोटॉनों की दिशा में, अंतरिक्ष को प्लैंक आकार के एक छोटे बिंदु में संकुचित किया जाता है, जिस पर अंतरिक्ष-समय की बहुत अवधारणा गायब हो जाती है। यह कहा जा सकता है कि फोटॉनों के लिए कोई स्थान नहीं है, क्योंकि IFR फोटॉनों के साथ अंतरिक्ष में उनका संपूर्ण प्रक्षेपवक्र एक बिंदु पर है।

तो, अब हम जानते हैं कि दूरी की परवाह किए बिना, सिग्नल और निष्क्रिय फोटॉन एक साथ स्क्रीन और डिटेक्टरों तक पहुंचते हैं, क्योंकि फोटॉनों के दृष्टिकोण से न तो समय है और न ही स्थान है। संकेत और निष्क्रिय फोटोन की क्वांटम युग्मन को देखते हुए, एक फोटॉन पर कोई भी प्रभाव उसके साथी की स्थिति को तुरंत प्रभावित करेगा। तदनुसार, स्क्रीन पर चित्र हमेशा इस बात के अनुरूप होना चाहिए कि क्या हम फोटॉनों के प्रक्षेपवक्र का निर्धारण करते हैं या इस जानकारी को मिटा देते हैं। यह तत्काल सूचना हस्तांतरण की क्षमता प्रदान करता है। एक को केवल यह विचार करना है कि पर्यवेक्षक प्रकाश की गति से नहीं चलता है, और इसलिए निष्क्रिय फोटॉन को डिटेक्टरों तक पहुंचने के बाद स्क्रीन पर चित्र का विश्लेषण किया जाना चाहिए।

व्यावहारिक कार्यान्वयन

आइए हम सिद्धांत को सिद्धांतकारों पर छोड़ दें और अपने प्रयोग के व्यावहारिक हिस्से पर लौटें। स्क्रीन पर एक चित्र प्राप्त करने के लिए, आपको प्रकाश स्रोत को चालू करना होगा और फोटॉन फ्लक्स को स्क्रीन पर निर्देशित करना होगा। निष्क्रिय फोटॉन के मार्ग में पारभासी दर्पण के आवागमन से सूचना की कोडिंग एक दूरस्थ वस्तु पर घटित होगी। यह माना जाता है कि संचारण डिवाइस समान समय अंतराल पर जानकारी को सांकेतिक शब्दों में बदलना होगा, उदाहरण के लिए, एक सेकंड के सौवें में हर बिट डेटा को संचारित करता है।


स्क्रीन के रूप में, आप बारी-बारी से परिवर्तनों को रिकॉर्ड करने के लिए एक संवेदनशील डिजिटल मैट्रिक्स का उपयोग कर सकते हैं। फिर, रिकॉर्ड की गई जानकारी को तब तक के लिए स्थगित कर देना चाहिए जब तक कि निष्क्रिय फोटॉन अपने गंतव्य तक नहीं पहुंच जाते। उसके बाद, आप प्रेषित जानकारी प्राप्त करने के लिए एक-एक करके रिकॉर्ड की गई जानकारी का विश्लेषण करना शुरू कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि एन्कोडिंग डिवाइस मंगल ग्रह पर है, तो सूचना का विश्लेषण दस से बीस मिनट देर से शुरू किया जाना चाहिए (ठीक उतना ही, जितना प्रकाश लाल ग्रह तक पहुंचने में लगता है)। इस तथ्य के बावजूद कि सूचना के विश्लेषण को दसियों मिनट की देरी के साथ किया जाता है, प्राप्त जानकारी वर्तमान क्षण में मंगल से संचरित होने के अनुरूप होगी। तदनुसार, एक लेजर रेंजफाइंडर को प्राप्त समय के अंतराल को सही ढंग से निर्धारित करने के लिए प्राप्त डिवाइस के साथ एक साथ स्थापित करना होगा, जिससे प्रेषित जानकारी का विश्लेषण करना शुरू करना आवश्यक है।

यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि संचारित जानकारी पर पर्यावरण का नकारात्मक प्रभाव पड़ता है। जब फोटोन वायु क्षेत्र से गुजरते हैं, तो एक डिक्रोहेंस प्रक्रिया होती है, जो संचरित संकेत में हस्तक्षेप को बढ़ाती है। यथासंभव पर्यावरण के प्रभाव को बाहर करने के लिए, संचार उपग्रहों का उपयोग करके वायुहीन अंतरिक्ष में संकेतों को संचारित करना संभव है।

दो-तरफ़ा संचार का आयोजन करके, भविष्य में किसी भी सीमा तक त्वरित सूचना हस्तांतरण के लिए संचार माध्यमों का निर्माण संभव है, जिनसे हमारा अंतरिक्ष यान पहुँच सकता है। यदि आप हमारे ग्रह के बाहर इंटरनेट तक त्वरित पहुंच की आवश्यकता है तो ऐसे संचार चैनल बस आवश्यक होंगे।

पुनश्च एक सवाल है कि हमने बचने की कोशिश की: निष्क्रिय फोटॉन को डिटेक्टरों तक पहुंचने से पहले हम स्क्रीन पर देखते हैं तो क्या होता है? सैद्धांतिक रूप से (आइंस्टीन के सापेक्षता के सिद्धांत के दृष्टिकोण से), हमें भविष्य की घटनाओं को देखना चाहिए। इसके अलावा, यदि हम दूर स्थित दर्पण से निष्क्रिय फोटॉन को प्रतिबिंबित करते हैं और उन्हें वापस लाते हैं, तो हम अपना भविष्य जान सकते हैं। लेकिन वास्तव में, हमारी दुनिया बहुत अधिक रहस्यमय है, इसलिए, व्यावहारिक प्रयोगों का संचालन किए बिना सही उत्तर देना मुश्किल है। शायद हम भविष्य के लिए सबसे अधिक संभावना वाला विकल्प देखेंगे। लेकिन जैसे ही हमें यह जानकारी मिलती है, भविष्य बदल सकता है और घटनाओं की एक वैकल्पिक शाखा उत्पन्न होगी (एवरेट की बहु-विश्व व्याख्या की परिकल्पना के अनुसार)। या शायद हम हस्तक्षेप और दो बैंड का मिश्रण देखेंगे (यदि चित्र भविष्य के लिए सभी संभावित विकल्पों से बना है)।

लेख की निरंतरता ->

पीएस दुर्भाग्य से, यह योजना काम नहीं कर रही थी (इस लेख की निरंतरता में भी दी गई योजना), क्योंकि गणनाओं के सावधानीपूर्वक सत्यापन से पता चला है कि क्वांटम उलझे कणों का उपयोग करते समय चरण बदलाव को ध्यान में नहीं रखा गया था।

उपयोगी लिंक:
वालबोर्न, एसपी (2002)। "डबल-स्लिट क्वांटम इरेज़र।" भौतिकी। रेव एक ६५
विलंबित पसंद क्वांटम इरेज़र। किम एट अल का प्रयोग। (1999)
क्वांटम इरेज़र प्रयोग
टॉम कैम्पबेल द्वारा भाषण
Scully और Drul द्वारा प्रस्तावित क्वांटम इरेज़र