Способ передачи информации на основе нелокальной квантовой корреляции между частицами в перепутанном квантово- механическом состоянии

 

Изобретение относится к технике связи и может использоваться при передаче информации на основе нелокальной квантовой корреляции между частицами. Технический результат заключается в осуществлении передачи информации с передающей стороны на приемную сторону. Для этого излучают фотоны посредством источника фотонов, направляют их по пространственному пути на передающую и приемную стороны, удаленные от источника фотонов, на передающей стороне модулируют фотоны в соответствии с передаваемыми двоичными символами "1" или "0", а на приемной стороне выделяют информацию. Фотоны излучают попарно в перепутанном по поляризации квантово-механическом состоянии, направляют их на свой пространственный путь распространения передающей стороны и приемной стороны таким образом, что между фотонами каждой пары существует нелокальная квантовая корреляция. Выделение информации осуществляют на приемной стороне по интерференционной картине. 3 з.п ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам передачи информации на основе использования нелокальной квантовой корреляции между пространственно удаленными друг от друга частицами, находящимися в перепутанном квантово-механическом состоянии.

Существование нелокальной квантовой корреляции между квантово-механическими объектами, находящимися в квантовом состоянии, перепутанном по собственным состояниям некоторой наблюдаемой физической величины, теоретически обосновано в [1] и экспериментально подтверждено в [2-6,] [5, с.513].

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности признаков является способ передачи квантового состояния одного фотона другому, пространственно удаленному от первого, известный как “квантовая телепортация” [2, с.512]. В этом способе с помощью ЭПР (Эйнштейн, Подольский, Розен) - фотонного источника, удаленного от приемной стороны на большее расстояние, чем от передающей стороны, излучают пару фотонов (фотон 1 и фотон 2) в перепутанном по поляризации квантовом состоянии и направляют один из фотонов (фотон 1) на передающую сторону, а другой фотон (фотон 2) - на приемную сторону. На передающей стороне над фотоном 1 и вспомогательным фотоном 3, квантовое состояние которого “телепортируется” фотону 2, выполняется объединенное измерение Белла, дающее один из четырех возможных результатов и “проецирующее” квантовое состояние этих фотонов, соответственно, на одно из четырех возможных перепутанных состояний. При этом фотон 2 на приемной стороне из-за нелокальной квантовой корреляции с фотоном 1 переводится в одно из четырех возможных квантовых состояний, каждое из которых связано с исходным состоянием фотона 3 соответствующим унитарным преобразованием U, вид которого однозначно определяется результатом измерения Белла.

Таким образом, для передачи исходного квантового состояния фотона 3 фотону 2 на передающей стороне выполняют объединенное измерение Белла над фотонами 1 и 3, передают по классическому каналу связи с передающей стороны на приемную сторону информацию о результате этого измерения и выполняют на приемной стороне над фотоном 2 соответствующее унитарное преобразование U.

Недостатком данного способа является то, что квантовое состояние фотона 3 не может быть однозначно передано (телепортировано) фотону 2 без передачи с передающей стороны на приемную сторону по дополнительному классическому каналу связи информации о результате измерения Белла на передающей стороне.

Техническим результатом изобретения является осуществление передачи двоичной информации с передающей стороны на приемную сторону на основе использования нелокальной квантовой корреляции между пространственно удаленными друг от друга частицами, находящимися в перепутанном квантово-механическом состоянии, без использования дополнительного классического канала связи.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа для передачи двоичных информационных символов квантовое состояние частиц ЭПР - источника, поступающих на передающую сторону, модулируют в соответствии с передаваемыми символами. При этом изменение квантового состояния частиц достигают путем выполнения над ними измерения -наблюдаемой физической величины, по собственным состояниям которой перепутано состояние парных частиц ЭПР - источника, а альтернативные двоичные символы кодируют, соответственно, выполнением или невыполнением указанного измерения. Известно, что после выполнения измерения над квантово-механическим объектом его исходное состояние переводится (“проецируется”) в новое состояние, определяемое полученным результатом измерения [2, с. 509].

Изменение квантового состояния частиц на передающей стороне вследствие нелокальной квантовой корреляции между частицами ЭПР-пар приводит к соответствующему изменению квантового состояния парных им частиц, направляемых на приемную сторону [2, с.510].

Для регистрации изменения квантового состояния частиц, направляемых на приемную сторону, вызванного модуляцией квантового состояния парных им частиц на передающей стороне, на приемной стороне над поступающими частицами выполняют унитарное преобразование, посредством которого для каждого из двух собственных состояний наблюдаемой физической величины, по которым перепутано состояние частиц, создают свое направление распространения частиц, для каждого направления распространения создают свой путь распространения частиц до поверхности детектора, создавая, таким образом, условия формирования интерференционной картины, характер которой меняется в зависимости от квантового состояния поступающих частиц [3], и измеряют уровень выбранного параметра интерференционной картины.

Предлагаемый способ позволяет передавать двоичную информацию только за счет нелокальной квантовой корреляции между частицами ЭПР-пар, без использования дополнительного классического канала связи.

При этом за счет исключения дополнительного классического канала связи достигается положительный технический результат - снижение энергетических затрат на передачу информации, упрощение структуры системы передачи и уменьшение времени передачи информации.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного технического решения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков заявленного способа передачи информации, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Проведенный заявителем дополнительный поиск не выявил известные решения, содержащие признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа передачи информации связи. Следовательно, заявленное техническое решение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного технического решения преобразований для достижения технического результата. Заявленное техническое решение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ передачи информации предполагает выполнение известных, например, в оптических системах передачи информации операций, которые могут быть реализованы с помощью известных функциональных элементов.

На фиг. 1 показана структурная схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ передачи информации.

Устройство, реализующее предлагаемый способ передачи информации включает: ЭПР - источник пар фотонов в перепутанном по поляризации состоянии, удаленный от приемной стороны на большее расстояние, чем от передающей стороны; на передающей стороне источник двоичной информации ИИ, устройство управления зеркалом УУЗ, управляемое двухпозиционное поворотное зеркало З’, поляризационный делитель ПД’, два фотодетектора ФД₁ и ФД₂; на приемной стороне - поляризационный делитель ПД, полуволновую пластину, отражающие зеркала З₁, З₂, З₃, фотодетектор ФД, решающее устройство РУ и получателя информации ПИ. Поляризационные делители ПД’ и ПД ориентируют в пространстве так, чтобы их оси поляризации лежали в плоскостях, перпендикулярных к направлению поступления фотонов, причем одна из осей поляризации делителя ПД' должна быть коллениарна одной из осей делителя ПД.

При осуществлении предлагаемого способа передачи информации с передающей стороны на приемную сторону выполняют следующие операции:

С помощью ЭПР - источника генерируют пары фотонов в перепутанном по поляризации состоянии. Один из фотонов каждой пары (фотоны 1) направляют на передающую сторону на отражающую поверхность поворотного зеркала З’, а другой фотон (фотоны 2) - на приемную сторону на вход поляризационного делителя ПД.

На передающей стороне с помощью зеркала З’ в зависимости от передаваемого двоичного символа фотоны 1 или направляют, или не направляют на вход поляризационного делителя ПД’. В первом случае с помощью ПД’ и фотодетекторов ФД₁ и ФД₂ выполняют измерение поляризации фотонов 1, в противном случае измерение поляризации фотонов 1 не выполняется.

На приемной стороне с помощью поляризационного делителя ПД над поступающими фотонами выполняют унитарное преобразование, посредством которого для каждой из двух ортогональных поляризаций, по которым перепутано состояние фотонов, создают свое направление их распространения. Для каждого из указанных направлений распространения фотонов с помощью зеркал З₁, З₂, З₃ создают свой пространственный путь распространения фотонов до поверхности фотодетектора ФД, на которой формируют интерференционную картину. Траекторию одного из путей при этом направляют через полуволновую пластину, обеспечивающую поворот оси поляризации проходящих фотонов на 90°.

Для передачи двоичного символа 1, вырабатываемого источником информации ИИ, на выходе устройства управления зеркалом УУЗ формируют воздействие, устанавливающее зеркало З’ в положение ^''1^'', при котором поступающие на его поверхность фотоны 1 не попадают на вход поляризационного делителя ПД’ и далее на фотодетекторы ФД₁ и ФД₂. Поскольку в этом случае поляризация фотонов 1 не измеряется, их квантовое состояние, а следовательно, и квантовое состояние парных им фотонов 2 на приемной стороне не переводится (не коллапсирует) в одно из двух собственных ортогональных состояний поляризации, соответствующих двум возможным результатам ее измерения. Поэтому для двух возможных пространственных путей распространения фотонов 2 до фотодетектора ФД, формируемых поляризационным делителем ПД и зеркалами З₁, З₂, З₃, выполняются принцип квантовой суперпозиции и условия формирования интерференционной картины на его поверхности [3]. В этом случае интерференционная картина возникает, причем уровень выбранного ее параметра, например, суммарной мощности излучения на поверхности фотодетектора ФД превосходит пороговое значение.

При передаче источником информации ИИ двоичного символа 0 устройство управления УУЗ устанавливает зеркало З’ в положение 0, при котором фотоны 1 отражаются на вход поляризационного делителя ПД’ и далее на фотодетекторы ФД₁ и ФД₂ для измерения их поляризации. В результате измерения поляризации квантовое состояние фотонов 1 переводится (коллапсирует) в одно из двух собственных ортогональных состояний поляризации. При этом квантовое состояние парных им фотонов 2 на приемной стороне вследствие нелокальной квантовой корреляции также коллапсирует в соответствующее собственное состояние поляризации, приводя к нарушению принципа квантовой суперпозиции для двух возможных пространственных путей распространения фотонов 2 до фотодетектора ФД и условий формирования интерференционной картины на его поверхности [3]. В этом случае интерференционная картина не возникает, причем уровень выбранного ее параметра, например суммарной мощности излучения на поверхности фотодетектора ФД, не превосходит пороговое значение.

С помощью фотодетектора ФД измеряют уровень выбранного параметра интерференционной картины на его поверхности, например суммарной мощности излучения на поверхности фотодетектора ФД, сравнивают его значение с пороговым значением и с помощью решающего устройства РУ вырабатывают решение о передаваемом двоичном символе. При превышении порогового значения принимают решение о передаче двоичного символа 1, в противном случае - о передаче двоичного символа 0.

Литература

1. В.А. Фок, А.Эйнштейн, Б.Подольский и др. Успехи физических наук. T.XVI, вып. 4, 1936 г. стр. 436.

2. С.Я. Килин. Успехи физических наук. Том 169, №5, 1999 г.

3. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс Фейнмановские лекции по физике, книга 3, гл. 37, §7, М.: Мир, М., (1967).

4. Э. Шредингер. Успехи химии 5 390 (1936).

5. Aspect A, Dalibard Y, Roger G Phys. Rev. Lett. 49 1804 (1982).

6. Greenberger D. M., Home M.A., Zeilinger A. Phys. Today 46 (8) 22 (1993).

Формула изобретения

1. Способ передачи информации на основе нелокальной квантовой корреляции между частицами в перепутанном квантово-механическом состоянии, заключающийся в том, что излучают фотоны посредством источника фотонов, направляют их по пространственному пути на передающую и приемную стороны, удаленные от источника фотонов, на передающей стороне модулируют фотоны в соответствии с передаваемыми двоичными символами “1” или “0”, а на приемной стороне выделяют информацию в виде двоичных символов “1” или “0”, отличающийся тем, что фотоны излучают попарно в перепутанном по поляризации квантово-механическом состоянии, направляют фотоны каждой пары на свой пространственный путь распространения до передающей стороны и до приемной стороны таким образом, что между фотонами каждой пары существует нелокальная квантовая корреляция, при этом удаление источника фотонов от приемной стороны больше, чем до передающей, модуляцию на передающей стороне осуществляют путем воздействия на поступающие фотоны в соответствии с одним из передаваемых двоичных символов, приводящего к возникновению интерференционной картины на приемной стороне, а в случае другого двоичного символа осуществляют воздействие, приводящее к нарушению интерференционной картины на приемной стороне, выделение информации на приемной стороне осуществляют по состоянию интерференционной картины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник фотонов выполнен в виде источника Энштейна-Подольского-Розена (ЭПР).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что воздействие, приводящее к возникновению интерференционной картины на приемной стороне, состоит в том, что на приемной стороне поступающие фотоны разделяют по поляризации посредством поляризационного делителя и осуществляют для этих фотонов квантовую суперпозицию состояний на фотодетекторе, при этом на передающей стороне соответствующие поступающие фотоны не разделяются по поляризации и не принимаются своими фотодетекторами.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что воздействие, приводящее к нарушению интерференционной картины на приемной стороне, состоит в том, что на приемной стороне поступающие фотоны разделяют по поляризации посредством поляризационного делителя и осуществляют для этих фотонов квантовую суперпозицию состояний на фотодетекторе, при этом на передающей стороне соответствующие поступающие фотоны разделяются по поляризации и принимаются своими фотодетекторами.

РИСУНКИ

Рисунок 1