Физики отправили квантовое послание отдельно от "почтового голубя"

Информация была передана с помощью фотонов, но без воздействия на них.

Иллюстрация Pixabay.

В эксперименте фотоны испускались одним участником коммуникации, а сообщение передавал другой.

Иллюстрация University of Vienna, Jon Ladron de Guevara.

Обычно информация передаётся с помощью носителя, будь то звук, радиоволны или клочок бумаги, привязанный к лапке голубя. Можно ли сделать так, чтобы некто никак не взаимодействовал с носителем информации и тем не менее передавал сообщение? После новых экспериментов специалисты по квантовой физике уверенно отвечают: "Мы это сделали".

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале NPJ Quantum Information учёными из Венского университета, Кембриджского университета и Массачусетского технологического института.

Рассмотрим двух участников общения (традиционно их называют Алисой и Бобом). Если девушка хочет передать другу сообщение, она вынуждена послать ему письмо, звуковую волну или фотон. Одним словом, от Алисы к Бобу движется нечто, несущее с собой информацию.

Физики предложили другой вариант "общения": в ходе которого носитель отправляется Алисой, а сообщение между тем передаёт Боб. Удивительно? Объясняем, как такое возможно.

Как известно, любое сообщение можно закодировать в двоичном коде, то есть записать как комбинацию нулей и единиц (именно так информация хранится и обрабатывается в компьютерах). Таким образом, участникам диалога достаточно договориться о том, как передавать нули и единицы.

Представим себе, что Боб стоит у стены, в которую Алиса бросает теннисные мячики. Если Боб хочет передать цифру 1, он бездействует: тогда отправленный Алисой мяч отскакивает от стены и возвращается к ней. Чтобы передать 0, Боб ловит мяч и прячет его в мешок. Не дождавшись возвращения "гонца", девушка делает вывод, что её визави послал ей 0. Таким способом Боб может передать подружке любую комбинацию нулей и единиц, то есть любое сообщение, хотя носитель отправляет только Алиса.

В эксперименте фотоны испускались одним участником коммуникации, а сообщение передавал другой.

Однако в этой схеме Бобу приходится взаимодействовать с теми мячами, которые он ловит. Между тем законы квантовой механики позволяют осуществить удивительную вещь. Экспериментатор может изменить состояние частицы, фактически не взаимодействуя с ней. Это возможно благодаря квантовому эффекту Зенона.

В частности, можно изменить поляризацию фотона, "не касаясь" его. А линию связи довольно просто устроить таким образом, чтобы Алиса получала обратно фотоны с одной поляризацией и не получала с другой. Для общения же достаточно использовать тот же код, что и с теннисными мячиками.

Получается, что Боб не посылает Алисе собственных фотонов и даже не воздействует на фотоны, посланные Алисой. Тем не менее он передаёт девушке сообщение. Парадокс!

Но квантовая механика полна таких кажущихся парадоксов, разрешить которые помогает только глубокое знание её законов, изложенных на языке высшей математики.

Для подготовленных читателей поясним, что при таком общении информация от Боба к Алисе передаётся не амплитудой, а фазой волновой функции фотона.

Результаты первых экспериментов по контрфактической коммуникации, как назвали новый метод создатели, были опубликованы в 2017 году командой во главе с китайским физиком Цзянь-Вэй Панем (Jian-Wei Pan). Однако некоторые эксперты подвергли эту работу критике.

Скептики сомневались в том, что Боб действительно не взаимодействовал с фотонами, отправленными Алисой. В частности, они указывали, что слабое измерение позволяет обнаружить "на конце провода" Боба те фотоны, что впоследствии вернутся к Алисе.

Кроме того, в экспериментах Паня использовался так называемый поствыбор, то есть учитывались только фотоны, отвечающие определённым условиям. Это также, по мнению ряда критиков, оставляло возможность для неверных интерпретаций.

В новом же исследовании, согласно заявлениям его авторов, преодолены оба недостатка. Это стало возможным благодаря высокоточным устройствам, применённым в эксперименте. В их числе источник одиночных фотонов, программируемый нанофотонный процессор, основанный на реконфигурируемых волноводах типа "кремний на изоляторе" и сверхпроводящие однофотонные детекторы на основе нанопроволоки (superconducting nanowire single-photon detector).

В новой схеме эксперимента отсутствует как поствыбор, так и обнаружение частиц в ходе слабого измерения. Это должно означать, что на сей раз контрфактическая коммуникация действительно реализована в эксперименте.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как физики "сфотографировали" квантовую запутанность, и о том, как спутники ГЛОНАСС поставили рекорд дальности квантовой связи. Также в России была испытана линия скоростной квантовой связи.