A transferência de informações é mais rápida que a velocidade da luz. Construção de sistemas de comunicação de longa distância

No mundo moderno, os sistemas de comunicação desempenham um papel importante no desenvolvimento do nosso mundo. Os canais de transferência de informações literalmente envolvem nosso planeta, vinculando várias redes de informação em uma única Internet global. O maravilhoso mundo da tecnologia moderna inclui descobertas de ponta da ciência e da tecnologia, frequentemente associadas às incríveis possibilidades do mundo quântico. É seguro dizer que hoje as tecnologias quânticas entraram firmemente em nossas vidas. Qualquer equipamento móvel em nossos bolsos é equipado com um chip de memória que funciona usando o tunelamento de carga quântica. Essa solução técnica permitiu aos engenheiros da Toshiba construir um transistor de porta flutuante em 1984, que se tornou a base para a construção de chips de memória modernos. Todos os dias usamos esses dispositivos sem pensar no que seu trabalho se baseia. E enquanto os físicos são intrigantes para explicar os paradoxos da mecânica quântica, o desenvolvimento tecnológico está assumindo as incríveis capacidades do mundo quântico.

Neste artigo, consideraremos a interferência da luz e analisaremos os métodos de construção de um canal de comunicação para transferência instantânea de informações usando tecnologias quânticas. Embora muitos acreditem que é impossível transmitir informações mais rapidamente do que a velocidade da luz, com a abordagem correta, mesmo essa tarefa se torna solucionável. Eu acho que você pode ver por si mesmo.

1. Introdução

Certamente muitos estão cientes de um fenômeno chamado interferência. Um feixe de luz é direcionado para uma tela opaca com dois slots paralelos, atrás dos quais uma tela de projeção é montada. A característica dos slots é que sua largura é aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz emitida. A tela de projeção produz uma série de franjas de interferência alternadas. Este experimento, conduzido pela primeira vez por Thomas Jung, demonstra a interferência da luz, que se tornou uma prova experimental da teoria das ondas da luz no início do século XIX.

É lógico supor que os fótons devem atravessar as lacunas, criando duas faixas de luz paralelas na tela traseira. Mas, em vez disso, muitas bandas se formam na tela, nas quais seções de luz e escuridão se alternam. O fato é que, quando a luz se comporta como uma onda, cada slot é uma fonte de ondas secundárias. Em locais onde as ondas secundárias atingem a tela em uma fase, aumentam suas amplitudes, o que cria um brilho máximo. E onde as ondas estão na fase antifase, suas amplitudes são compensadas, o que cria um mínimo de brilho. Alterações periódicas no brilho quando ondas secundárias sobrepostas criam franjas de interferência na tela.

Mas por que a luz se comporta como uma onda? No começo, os cientistas sugeriram que talvez os fótons colidem uns com os outros e decidiram liberá-los um por um. Dentro de uma hora, um padrão de interferência reapareceu na tela. Tentativas de explicar esse fenômeno levaram à suposição de que o fóton é separado, passa por ambas as fendas e colidir forma um padrão de interferência na tela.

A curiosidade dos cientistas assombrou. Eles queriam saber por qual fenda o fóton realmente passa e decidiram observar. Para revelar esse mistério, detectores foram colocados na frente de cada fenda, que registrava a passagem de um fóton. Durante o experimento, descobriu-se que o fóton passa por apenas uma fenda, pela primeira ou pela segunda. Como resultado, duas faixas paralelas de luz se formaram na tela, sem um único sinal de interferência. A observação de fótons destruiu a função de onda da luz e os fótons começaram a se comportar como partículas! Enquanto os fótons estiverem em incerteza quântica, eles se propagam como ondas. Mas quando são observados, os fótons perdem sua função de onda e começam a se comportar como partículas.

Em seguida, o experimento foi repetido novamente, com os detectores ligados, mas sem registrar dados sobre a trajetória do fóton. Apesar de o experimento repetir completamente o anterior, com exceção da possibilidade de obter informações, após algum tempo um padrão de interferência de listras claras e escuras reapareceu na tela.

Acontece que o efeito não é produzido por nenhuma observação, mas apenas pela qual informações sobre a trajetória do movimento dos fótons podem ser obtidas. E isso é confirmado pelo experimento a seguir, quando a trajetória de fótons não é rastreada com a ajuda de detectores instalados na frente de cada fenda, mas com a ajuda de armadilhas adicionais pelas quais a trajetória pode ser restaurada sem interagir com os fótons originais.

Borracha quântica

Vamos começar com o esquema mais simples (esta é uma representação esquemática do experimento, e não um esquema de instalação real).


Envie o raio laser para um espelho translúcido (PP) . Normalmente, esse espelho reflete metade da luz incidente sobre ele e a outra metade passa. Mas os fótons, estando em um estado de incerteza quântica, entrando em um espelho translúcido, escolhem as duas direções ao mesmo tempo. Então, cada raio é refletido pelos espelhos (1) e (2) na tela, onde observamos franjas de interferência. Tudo é simples e claro: os fótons se comportam como ondas.


Agora vamos tentar entender o caminho que os fótons percorreram - na parte superior ou inferior. Para fazer isso, em cada caminho, colocamos conversores (DC) . Um conversor descendente é um dispositivo que, quando um fóton entra nele, dá origem a 2 fótons na saída (cada um com meia energia), um dos quais atinge a tela ( sinal de fóton ) e o segundo atinge o detector (3) ou (4) ( fóton inativo ). Tendo recebido dados dos detectores, saberemos qual caminho cada fóton percorreu. Nesse caso, a imagem de interferência desaparece, porque descobrimos exatamente para onde os fótons passavam e, portanto, destruímos a incerteza quântica.


Além disso, complicamos um pouco o experimento. Colocamos espelhos refletores no caminho de cada fóton "inativo" e os direcionamos para o segundo espelho translúcido (à esquerda da fonte no diagrama). A passagem do segundo espelho translúcido apaga as informações sobre a trajetória dos fótons ociosos e restaura a interferência (de acordo com o esquema do interferômetro Mach Zehnder). Independentemente de qual dos detectores funcionar, não poderemos descobrir qual caminho os fótons percorreram. Com esse esquema complexo, apagamos as informações de seleção de caminho e restauramos a incerteza quântica. Como resultado, um padrão de interferência será exibido na tela.

Se decidirmos estender os espelhos, os fótons “ inativos ” cairão novamente nos detectores (3) e (4) e, como sabemos, o padrão de interferência desaparecerá na tela. Isso significa que, alterando a posição dos espelhos, podemos alterar a imagem exibida na tela. Então você pode usar isso para codificar informações binárias.


Você pode simplificar um pouco a experiência e obter o mesmo resultado movendo um espelho translúcido no caminho dos fótons "inativos" :


Como vemos, os fótons "inativos" viajam mais longe do que seus parceiros que atingem a tela. É lógico supor que, se a imagem na tela for formada anteriormente, a imagem resultante não corresponderá se determinamos a trajetória dos fótons ou apagamos essas informações. Mas experimentos práticos mostram o contrário - independentemente da distância, a imagem na tela sempre corresponde às ações realizadas com fótons ociosos . De acordo com as informações da Wikipedia :

O principal resultado do experimento é que não importa se o processo de apagamento foi realizado antes ou depois que os fótons chegaram à tela do detector.

Uma experiência semelhante também é descrita no livro de Brian Green, The Cloth of Cosmos and Space . Parece inacreditável mudança de causa. Vamos tentar descobrir o que é o quê.

Pouco de teoria

Se olharmos para a teoria da relatividade especial de Einstein, à medida que a velocidade aumenta, o tempo diminui de acordo com a fórmula:

onde r é o período de tempo, v é a velocidade relativa do objeto.

A velocidade da luz é uma quantidade limitada, portanto, para as próprias partículas de luz (fótons), o tempo diminui para zero. Mais corretamente, para os fótons não há tempo, para eles existe apenas o momento atual em que estão em qualquer ponto de sua trajetória. Isso pode parecer estranho, porque estamos acostumados a acreditar que a luz de estrelas distantes nos chega milhões de anos depois. Mas com o ISO das partículas de luz, os fótons atingem o observador no mesmo momento, assim que são emitidos por estrelas distantes.

O fato é que o tempo presente para objetos estacionários e objetos em movimento pode não coincidir. Para representar o tempo, é necessário considerar o espaço-tempo como um bloco contínuo estendido no tempo. As fatias que formam o bloco são momentos presentes para o observador. Cada fatia representa o espaço em um ponto no tempo do seu ponto de vista. Esse momento inclui todos os pontos do espaço e todos os eventos do universo, que são apresentados ao observador como acontecendo ao mesmo tempo.


Dependendo da velocidade do movimento, uma fatia do tempo presente dividirá o espaço-tempo em diferentes ângulos. Na direção do movimento, a fatia do presente tende a mudar para o futuro. Na direção oposta, a fatia do presente tende a mudar para o passado.

Quanto maior a velocidade do movimento, maior o ângulo de corte. Na velocidade da luz, a fatia do tempo atual tem um ângulo máximo de deslocamento de 45 °, no qual o tempo para e os fótons estão em um momento no tempo, em qualquer ponto de sua trajetória.

Uma pergunta razoável surge: como um fóton pode estar simultaneamente em diferentes pontos do espaço? Vamos tentar descobrir o que acontece com o espaço na velocidade da luz. Como você sabe, à medida que a velocidade aumenta, o efeito da redução relativística no comprimento é observado, de acordo com a fórmula:

onde l é o comprimento e v é a velocidade relativa do objeto.

Não é difícil notar que, na velocidade da luz, qualquer comprimento no espaço será compactado para o tamanho zero. Assim, na direção dos fótons, o espaço é comprimido em um pequeno ponto do tamanho de Planck, no qual o próprio conceito de espaço-tempo desaparece. Pode-se dizer que, para fótons, não há espaço, pois toda a sua trajetória no espaço com fótons IFR está em um ponto.

Então, agora sabemos que, independentemente da distância percorrida, os fótons de sinal e ocioso atingem simultaneamente a tela e os detectores, pois, do ponto de vista dos fótons, não há tempo nem espaço. Dado o acoplamento quântico de fótons de sinal e ocioso , qualquer efeito em um fóton afetará instantaneamente o estado de seu parceiro. Consequentemente, a imagem na tela deve sempre corresponder ao fato de determinarmos a trajetória dos fótons ou apagarmos essas informações. Isso fornece o potencial para transferência instantânea de informações. É preciso considerar apenas que o observador não se move na velocidade da luz e, portanto, a imagem na tela deve ser analisada depois que os fótons ociosos atingirem os detectores.

Implementação prática

Deixemos a teoria para os teóricos e retornemos à parte prática de nosso experimento. Para obter uma imagem na tela, você precisa ativar a fonte de luz e direcionar o fluxo de fótons para a tela. A codificação da informação ocorrerá em um objeto remoto, pelo movimento de um espelho translúcido no caminho dos fótons ociosos . Supõe-se que o dispositivo transmissor codifique as informações em intervalos de tempo iguais, por exemplo, transmita todos os bits de dados em um centésimo de segundo.


Como uma tela, você pode usar uma matriz digital sensível para registrar diretamente alterações alternadas. Então, a informação gravada deve ser adiada até que os fótons ociosos cheguem ao seu destino. Depois disso, você pode começar a analisar as informações gravadas uma por uma para obter as informações transmitidas. Por exemplo, se o dispositivo de codificação estiver em Marte, a análise das informações deverá ser iniciada com dez a vinte minutos de atraso (exatamente o quanto a luz leva para alcançar o planeta vermelho). Apesar de a análise das informações ser realizada com um atraso de dezenas de minutos, as informações recebidas corresponderão ao que é transmitido de Marte no momento atual. Por conseguinte, um telêmetro a laser terá que ser instalado junto com o dispositivo receptor para determinar com precisão o intervalo de tempo a partir do qual é necessário começar a analisar as informações transmitidas.

Também deve ser observado que o ambiente tem um efeito negativo nas informações transmitidas. Quando os fótons passam pelo espaço aéreo, ocorre um processo de descoerência, aumentando a interferência no sinal transmitido. Para excluir ao máximo a influência do ambiente, é possível transmitir sinais no espaço sem ar usando satélites de comunicação.

Ao organizar a comunicação bidirecional, no futuro é possível construir canais de comunicação para transferência instantânea de informações para qualquer faixa de alcance que nossa espaçonave possa alcançar. Esses canais de comunicação serão simplesmente necessários se você precisar de acesso rápido à Internet fora do nosso planeta.

PS Há uma pergunta que tentamos evitar: o que acontece se olharmos para a tela antes que os fótons ociosos cheguem aos detectores? Teoricamente (do ponto de vista da teoria da relatividade de Einstein), deveríamos ver os eventos do futuro. Além disso, se refletirmos fótons ociosos de um espelho localizado e os trouxermos de volta, poderemos conhecer nosso próprio futuro. Mas, na realidade, nosso mundo é muito mais misterioso, portanto, é difícil dar a resposta correta sem realizar experimentos práticos. Talvez veremos a opção mais provável para o futuro. Porém, assim que obtivermos essas informações, o futuro poderá mudar e um ramo alternativo de eventos surgirá (de acordo com a hipótese da interpretação de vários mundos de Everett). Ou talvez veremos uma mistura de interferência e duas bandas (se a imagem for composta de todas as opções possíveis para o futuro).

Continuação do artigo ->

PS Infelizmente, esse esquema acabou não funcionando (também o esquema fornecido na continuação deste artigo), pois uma verificação cuidadosa dos cálculos revelou que a mudança de fase não foi levada em consideração ao usar partículas emaranhadas quânticas.

Links úteis:
Walborn, SP (2002). "Borracha quântica de fenda dupla." Phys. Rev. A 65
Eliminador quântico de escolha atrasada. O experimento de Kim et al. (1999)
Experiência Quantum Eraser
Discurso de Tom Campbell
Borracha quântica proposta por Scully e Drul