Transfer informasi lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Membangun sistem komunikasi jarak jauh

Di dunia modern, sistem komunikasi memainkan peran penting dalam pengembangan dunia kita. Saluran transfer informasi benar-benar melibatkan planet kita, menghubungkan berbagai jaringan informasi ke dalam satu Internet global. Dunia yang luar biasa dari teknologi modern termasuk penemuan-penemuan mutakhir dari sains dan teknologi, sering dikaitkan dengan kemungkinan menakjubkan dari dunia kuantum. Aman untuk mengatakan bahwa hari ini, teknologi kuantum telah dengan kuat memasuki kehidupan kita. Setiap peralatan seluler di saku kami dilengkapi dengan chip memori yang berfungsi menggunakan tunneling muatan kuantum. Solusi teknis semacam itu memungkinkan para insinyur Toshiba untuk membangun transistor gerbang mengambang pada tahun 1984, yang menjadi dasar untuk membangun chip memori modern. Setiap hari kami menggunakan perangkat seperti itu tanpa memikirkan apa yang menjadi dasar pekerjaan mereka. Dan sementara fisikawan bingung menjelaskan paradoks mekanika kuantum, perkembangan teknologi mengambil kemampuan luar biasa dari dunia kuantum.

Pada artikel ini kami akan mempertimbangkan gangguan cahaya, dan menganalisis metode membangun saluran komunikasi untuk transfer informasi instan menggunakan teknologi kuantum. Meskipun banyak yang percaya bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan informasi lebih cepat daripada kecepatan cahaya, dengan pendekatan yang tepat, bahkan tugas seperti itu menjadi dapat dipecahkan. Saya pikir Anda bisa melihatnya sendiri.

Pendahuluan

Tentunya banyak yang menyadari fenomena yang disebut gangguan. Sinar cahaya diarahkan ke layar buram dengan dua slot paralel, di belakang mana layar proyeksi dipasang. Fitur slot adalah lebarnya kira-kira sama dengan panjang gelombang cahaya yang dipancarkan. Layar proyeksi menghasilkan serangkaian pinggiran gangguan bergantian. Eksperimen ini, pertama kali dilakukan oleh Thomas Jung, menunjukkan gangguan cahaya, yang menjadi bukti eksperimental teori gelombang cahaya pada awal abad ke-19.

Adalah logis untuk mengasumsikan bahwa foton harus melewati celah, menciptakan dua garis cahaya paralel pada layar belakang. Tetapi sebaliknya, banyak band terbentuk di layar, di mana bagian terang dan gelap berubah. Faktanya adalah bahwa ketika cahaya berperilaku seperti gelombang, setiap slot adalah sumber gelombang sekunder. Di tempat-tempat di mana gelombang sekunder mencapai layar dalam satu fase, amplitudonya bertambah, yang menciptakan kecerahan maksimum. Dan di mana gelombang berada dalam antiphase, amplitudo mereka dikompensasi, yang menciptakan kecerahan minimum. Perubahan kecerahan secara berkala ketika gelombang sekunder yang dilapiskan menciptakan pinggiran gangguan di layar.

Tetapi mengapa cahaya berperilaku seperti gelombang? Pada awalnya, para ilmuwan menyarankan bahwa mungkin foton saling bertabrakan dan memutuskan untuk melepaskannya satu per satu. Dalam satu jam, pola interferensi muncul kembali di layar. Upaya untuk menjelaskan fenomena ini mengarah pada asumsi bahwa foton dipisahkan, melewati kedua celah, dan bertabrakan sendiri membentuk pola interferensi pada layar.

Keingintahuan para ilmuwan menghantui. Mereka ingin tahu melalui celah mana foton benar-benar lewat, dan memutuskan untuk mengamati. Untuk mengungkap misteri ini, detektor ditempatkan di depan setiap celah, yang merekam lintasan foton. Selama percobaan, ternyata foton hanya melewati satu celah, baik melalui celah pertama atau kedua. Hasilnya, dua garis cahaya paralel terbentuk di layar, tanpa sedikit pun gangguan. Pengamatan foton menghancurkan fungsi gelombang cahaya, dan foton mulai berperilaku seperti partikel! Selama foton berada dalam ketidakpastian kuantum, mereka merambat seperti gelombang. Tetapi ketika diamati, foton kehilangan fungsi gelombang dan mulai berperilaku seperti partikel.

Kemudian percobaan diulangi lagi, dengan detektor dihidupkan, tetapi tanpa merekam data pada lintasan foton. Terlepas dari kenyataan bahwa percobaan sepenuhnya mengulangi yang sebelumnya, dengan pengecualian kemungkinan mendapatkan informasi, setelah beberapa waktu pola interferensi garis-garis terang dan gelap muncul kembali di layar.

Ternyata efeknya tidak dibuat dengan pengamatan apa pun, tetapi hanya dengan informasi yang diperoleh lintasan gerak foton. Dan ini dikonfirmasi oleh percobaan berikut, ketika lintasan foton tidak dilacak dengan bantuan detektor yang dipasang di depan setiap celah, tetapi dengan bantuan jebakan tambahan yang dengannya lintasan dapat dipulihkan tanpa berinteraksi dengan foton asli.

Penghapus kuantum

Mari kita mulai dengan skema paling sederhana (ini adalah representasi skematis dari eksperimen, dan bukan skema instalasi yang sebenarnya).


Kirim sinar laser ke cermin tembus cahaya (PP) . Biasanya, cermin semacam itu memantulkan setengah dari insiden cahaya di atasnya, dan separuh lainnya lewat. Tetapi foton, yang berada dalam keadaan ketidakpastian kuantum, menggunakan cermin transparan, memilih kedua arah pada saat bersamaan. Kemudian, setiap sinar dipantulkan oleh cermin (1) dan (2) ke layar, tempat kami mengamati pinggiran gangguan. Semuanya sederhana dan jelas: foton berperilaku seperti gelombang.


Sekarang mari kita coba memahami jalan mana yang dilalui foton - di atas atau di bawah. Untuk melakukan ini, pada setiap jalur kita meletakkan konverter (DC) . Konverter turun adalah perangkat yang, ketika satu foton memasukinya, memunculkan 2 foton pada output (masing-masing dengan energi setengah), yang salah satu mengenai layar ( foton sinyal ), dan yang kedua mengenai detektor (3) atau (4) ( foton menganggur ). Setelah menerima data dari detektor, kita akan tahu jalur mana yang ditempuh setiap foton. Dalam kasus ini, gambar interferensi menghilang, karena kami menemukan persis di mana foton berlalu, dan karenanya menghancurkan ketidakpastian kuantum.


Selanjutnya kami sedikit menyulitkan percobaan. Kami menempatkan cermin pemantul di jalur masing-masing foton "idle" dan mengarahkannya ke cermin transparan kedua (di sebelah kiri sumber dalam diagram). Bagian dari cermin tembus kedua menghapus informasi tentang lintasan foton siaga dan mengembalikan gangguan (sesuai dengan skema interferometer Mach Zehnder). Terlepas dari detektor mana yang berfungsi, kami tidak akan dapat menemukan jalur foton yang dilalui. Dengan skema rumit ini, kami menghapus informasi pemilihan jalur dan mengembalikan ketidakpastian kuantum. Akibatnya, pola interferensi akan ditampilkan di layar.

Jika kita memutuskan untuk memperpanjang cermin, maka foton " idle " akan kembali jatuh ke detektor (3) dan (4) , dan seperti yang kita tahu, pola interferensi akan hilang di layar. Ini berarti bahwa dengan mengubah posisi cermin, kita dapat mengubah gambar yang ditampilkan di layar. Jadi, Anda dapat menggunakan ini untuk menyandikan informasi biner.


Anda dapat menyederhanakan percobaan sedikit dan mendapatkan hasil yang sama dengan memindahkan cermin transparan di jalur foton "idle" :


Seperti yang kita lihat, "idle" foton melakukan perjalanan lebih jauh daripada pasangan mereka yang menekan layar. Adalah logis untuk mengasumsikan bahwa jika gambar pada layar terbentuk lebih awal, maka gambar yang dihasilkan tidak boleh sesuai dengan apakah kita menentukan lintasan foton atau menghapus informasi ini. Tapi percobaan praktis menunjukkan yang sebaliknya - terlepas dari jarak, gambar di layar selalu sesuai dengan tindakan yang dilakukan dengan foton siaga . Menurut informasi dari Wikipedia :

Hasil utama dari percobaan adalah bahwa tidak masalah apakah proses penghapusan dilakukan sebelum atau setelah foton mencapai layar detektor.

Pengalaman serupa juga dijelaskan dalam buku Brian Green, The Cloth of Cosmos and Space . Tampaknya penyebab yang sulit dipercaya berubah. Mari kita coba mencari tahu apa itu.

Sedikit teori

Jika kita melihat teori relativitas khusus Einstein, ketika kecepatan meningkat, waktu melambat sesuai dengan rumus:

di mana r adalah panjang waktu, v adalah kecepatan relatif dari objek.

Kecepatan cahaya adalah jumlah yang terbatas, oleh karena itu, untuk partikel cahaya (foton) sendiri, waktu melambat menjadi nol. Lebih tepatnya, untuk foton tidak ada waktu, bagi mereka hanya ada momen saat ini di mana mereka berada pada titik mana pun pada lintasan mereka. Ini mungkin tampak aneh, karena kita terbiasa mempercayai bahwa cahaya dari bintang yang jauh mencapai kita jutaan tahun kemudian. Tetapi dengan ISO partikel cahaya, foton mencapai pengamat pada saat yang sama, segera setelah mereka dipancarkan oleh bintang yang jauh.

Faktanya adalah bahwa waktu sekarang untuk benda-benda diam dan benda bergerak mungkin tidak bersamaan. Untuk merepresentasikan waktu, perlu mempertimbangkan ruang-waktu sebagai blok kontinu yang terbentang dalam waktu. Irisan yang membentuk balok adalah momen yang hadir bagi pengamat. Setiap irisan mewakili ruang pada satu titik waktu dari sudut pandangnya. Momen ini mencakup semua titik ruang dan semua peristiwa di alam semesta, yang disajikan kepada pengamat sebagai terjadi pada saat yang sama.


Tergantung pada kecepatan gerakan, sepotong present tense akan membagi ruang-waktu pada sudut yang berbeda. Dalam arah gerakan, irisan masa kini cenderung bergeser ke masa depan. Dalam arah yang berlawanan, irisan masa kini cenderung bergeser ke masa lalu.

Semakin besar kecepatan gerakan, semakin besar sudut potong. Pada kecepatan cahaya, irisan waktu sekarang memiliki sudut perpindahan maksimum 45 °, di mana waktu berhenti dan foton pada satu saat dalam waktu di titik mana pun pada lintasan mereka.

Sebuah pertanyaan yang masuk akal muncul, bagaimana foton secara bersamaan dapat berada di titik yang berbeda di ruang angkasa? Mari kita coba mencari tahu apa yang terjadi pada ruang dengan kecepatan cahaya. Seperti yang Anda ketahui, ketika kecepatan meningkat, efek pengurangan panjang relatif diamati, sesuai dengan rumus:

di mana l adalah panjang dan v adalah kecepatan relatif objek.

Tidak sulit untuk memperhatikan bahwa pada kecepatan cahaya, setiap panjang ruang akan dikompresi ke ukuran nol. Jadi, ke arah foton, ruang dikompresi menjadi titik kecil ukuran Planck, di mana konsep ruang-waktu menghilang. Dapat dikatakan bahwa untuk foton tidak ada ruang, karena seluruh lintasan mereka di ruang angkasa dengan foton IFR ada pada satu titik.

Jadi, sekarang kita tahu bahwa terlepas dari jarak yang ditempuh, foton sinyal dan idle secara bersamaan mencapai layar dan detektor, karena dari sudut pandang foton tidak ada waktu atau ruang. Dengan adanya kopling kuantum dari sinyal dan foton siaga , efek apa pun pada satu foton akan secara langsung mempengaruhi keadaan pasangannya. Dengan demikian, gambar pada layar harus selalu sesuai dengan apakah kita menentukan lintasan foton atau menghapus informasi ini. Ini memberikan potensi untuk transfer informasi instan. Kita hanya perlu mempertimbangkan bahwa pengamat tidak bergerak dengan kecepatan cahaya, dan oleh karena itu gambar pada layar harus dianalisis setelah foton yang tidak bergerak mencapai detektor.

Implementasi praktis

Mari kita serahkan teori itu kepada para ahli teori dan kembali ke bagian praktis dari percobaan kita. Untuk mendapatkan gambar di layar Anda harus menyalakan sumber cahaya dan mengarahkan fluks foton ke layar. Pengkodean informasi akan terjadi pada objek jarak jauh, dengan pergerakan cermin tembus cahaya di jalur foton yang tidak digunakan . Diasumsikan bahwa perangkat pengirim akan menyandikan informasi pada interval waktu yang sama, misalnya, mengirimkan setiap bit data dalam seperseratus detik.


Sebagai layar, Anda dapat menggunakan matriks digital sensitif untuk merekam perubahan bergantian secara langsung. Kemudian, informasi yang direkam harus ditunda hingga foton yang tidak digunakan mencapai tujuannya. Setelah itu, Anda dapat mulai menganalisis informasi yang direkam satu per satu untuk mendapatkan informasi yang dikirimkan. Misalnya, jika perangkat penyandian ada di Mars, maka analisis informasi harus dimulai terlambat selama sepuluh hingga dua puluh menit (persis seperti yang dibutuhkan cahaya untuk mencapai planet merah). Terlepas dari kenyataan bahwa analisis informasi dilakukan dengan penundaan selama puluhan menit, informasi yang diterima akan sesuai dengan apa yang ditransmisikan dari Mars pada saat saat ini. Karenanya, pengintai laser harus dipasang bersama dengan perangkat penerima agar dapat secara akurat menentukan interval waktu dari mana diperlukan untuk mulai menganalisis informasi yang dikirimkan.

Perlu juga dicatat bahwa lingkungan memiliki efek negatif pada informasi yang dikirimkan. Ketika foton melewati wilayah udara, proses dekoherensi terjadi, meningkatkan gangguan pada sinyal yang ditransmisikan. Untuk mengecualikan pengaruh lingkungan sebanyak mungkin, dimungkinkan untuk mengirimkan sinyal di ruang tanpa udara menggunakan satelit komunikasi.

Dengan mengatur komunikasi dua arah, di masa depan dimungkinkan untuk membangun saluran komunikasi untuk transfer informasi instan ke berbagai jangkauan yang dapat dijangkau oleh pesawat ruang angkasa kita. Saluran komunikasi semacam itu hanya perlu jika Anda membutuhkan akses cepat ke Internet di luar planet kita.

PS Ada satu pertanyaan yang kami coba hindari: apa yang terjadi jika kita melihat layar sebelum foton menganggur mencapai detektor? Secara teoritis (dari sudut pandang teori relativitas Einstein), kita harus melihat peristiwa di masa depan. Terlebih lagi, jika kita memantulkan foton kosong dari cermin yang letaknya jauh dan membawanya kembali, kita bisa mengetahui masa depan kita sendiri. Namun dalam kenyataannya, dunia kita jauh lebih misterius, oleh karena itu, sulit untuk memberikan jawaban yang benar tanpa melakukan eksperimen praktis. Mungkin kita akan melihat opsi yang paling mungkin untuk masa depan. Tetapi segera setelah kami mendapatkan informasi ini, masa depan dapat berubah dan cabang peristiwa alternatif akan muncul (sesuai dengan hipotesis interpretasi multi-dunia Everett). Atau mungkin kita akan melihat campuran gangguan dan dua pita (jika gambar terdiri dari semua opsi yang mungkin untuk masa depan).

Kelanjutan artikel ->

PS Sayangnya, skema ini tidak berfungsi (juga skema yang diberikan dalam kelanjutan artikel ini), karena verifikasi perhitungan yang cermat mengungkapkan bahwa pergeseran fase tidak diperhitungkan ketika menggunakan partikel terjerat kuantum.

Tautan yang bermanfaat:
Walborn, SP (2002). "Penghapus Quantum Double-Slit." Phys Rev. A 65
Penghapus kuantum pilihan tertunda. Eksperimen Kim et al. (1999)
Eksperimen Penghapus Kuantum
Pidato oleh Tom Campbell
Penghapus kuantum diusulkan oleh Scully dan Drul