Способ передачи информации с использованием фотонов (варианты)



Способ передачи информации с использованием фотонов (варианты)
Способ передачи информации с использованием фотонов (варианты)
Способ передачи информации с использованием фотонов (варианты)

 


Владельцы патента RU 2465730:

Общество с ограниченной ответственностью Научно Исследовательская Компания "Каскад" (ООО НИК "Каскад") (RU)

Заявлен способ передачи информации с использованием фотонов. В способе для каждой частицы из пары, испущенной когерентным источником квантовых частиц, формируют направленные на передающую и принимающую стороны пространственные пути распространения суперпозиционного состояния с возможностью получения между парными частицами взаимной интерференции как на передающей, так и на принимающей стороне. На передающей стороне все пришедшие к ней пространственные пути распространения модулируют и после этого сводят в детекторе квантовых частиц. Информацию кодируют и передают в виде двоичных сигналов. На передающей стороне осуществляют модуляцию с помощью физического воздействия так, что происходит нарушение интерференционной картины либо восстановление интерференционной картины на принимающей стороне. Выделение информации осуществляют по наличию или отсутствию интерференционной картины. Техническим результатом является повышение надежности передачи информации от передающей стороны к принимающей стороне канала связи. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к технике связи и может использоваться при передаче информации на расстояние на основе нелокальной квантовой корреляции между квантовыми частицами, одними из которых являются фотоны.

Известен способ передачи информации на основе нелокальной квантовой корреляции между частицами в перепутанном квантово-механическом состоянии. 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 их интерференционной картине (см. патент РФ №2235434, кл. H04B 10/30, 2004).

Недостатками известного способа является низкая надежность передачи информации от передающей стороны к принимающей стороне канала связи.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение (его варианты), является повышение надежности передачи информации от передающей стороны к принимающей стороне канала связи.

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе передачи информации с использованием квантовых частиц (по первому варианту) для каждой частицы из пары, испущенной когерентным источником парных квантовых частиц, формируют направленные на передающую и принимающую стороны пространственные пути распространения суперпозиционного состояния с возможностью получения между парными частицами взаимной интерференции как на передающей, так и на принимающей стороне, на передающей стороне все пришедшие к ней пространственные пути распространения суперпозиционного состояния парных квантовых частиц модулируют и после этого сводят в детекторе квантовых частиц, информацию кодируют и передают в виде двоичных сигналов, при этом в соответствии с передаваемым двоичным сигналом модуляцию на передающей стороне осуществляют с помощью физического воздействия, изменяющего условия распространения квантовых частиц таким образом, что при его первом значении происходит нарушение интерференционной картины, а при втором его значении происходит восстановление интерференционной картины на принимающей стороне, причем на принимающей стороне выделение информации осуществляют по наличию или отсутствию интерференционной картины, при этом пути распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц проложены таким образом, что от источника до места детектирования квантовых частиц на принимающей стороне пути длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне, а также за счет того, что в качестве когерентного источника парных квантовых частиц используют источник парных запутанных квантовых частиц.

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе передачи информации с использованием квантовых частиц (по второму варианту) для каждой частицы из пары, испущенной когерентным источником парных квантовых частиц, формируют направленные на передающую и принимающую стороны пространственные пути распространения суперпозиционного состояния с возможностью получения между парными частицами взаимной интерференции на принимающей стороне, на передающей стороне все пришедшие к ней пространственные пути распространения суперпозиционного состояния парных квантовых частиц модулируют, информацию кодируют и передают в виде двоичных сигналов, при этом в соответствии с передаваемым двоичным сигналом модуляцию на передающей стороне осуществляют с помощью физического воздействия, изменяющего условия распространения квантовых частиц таким образом, что при его первом значении происходит нарушение интерференционной картины, а при втором его значении происходит восстановление интерференционной картины на принимающей стороне, причем на принимающей стороне выделение информации осуществляют по наличию или отсутствию интерференционной картины, при этом пути распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц проложены таким образом, что от источника до места детектирования квантовых частиц на принимающей стороне пути длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне, а также за счет того, что в качестве когерентного источника парных квантовых частиц используют источник парных запутанных квантовых частиц.

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе передачи информации с использованием квантовых частиц (по третьему варианту) для каждой частицы из пары, испущенной когерентным источником парных квантовых частиц, формируют направленные на передающую и принимающую стороны пространственные пути распространения суперпозиционного состояния с возможностью получения между парными частицами взаимной интерференции на принимающей стороне, на передающей стороне модулируют один пришедший к ней пространственный путь распространения суперпозиционного состояния парных квантовых частиц, информацию кодируют и передают в виде двоичных сигналов, при этом в соответствии с передаваемым двоичным сигналом модуляцию на передающей стороне осуществляют с помощью физического воздействия, изменяющего условия распространения квантовых частиц таким образом, что при его первом значении происходит нарушение интерференционной картины, а при втором его значении происходит восстановление интерференционной картины на принимающей стороне, причем на принимающей стороне выделение информации осуществляют по наличию или отсутствию интерференционной картины, при этом пути распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц проложены таким образом, что от источника до места детектирования квантовых частиц на принимающей стороне пути длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне, а также за счет того, что в качестве когерентного источника парных квантовых частиц используют источник парных запутанных квантовых частиц.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-3, где на фиг.1 иллюстрируется схема устройства, реализующего способ по первому варианту с использованием запутанных парных квантовых частиц в базовой конфигурации, на фиг.2 показана схема устройства, реализующего способ по второму варианту с использованием запутанных парных квантовых частиц без детектирования передающей стороной, на фиг.3 приведена схема устройства, реализующего способ по третьему варианту с использованием запутанных парных квантовых частиц без детектирования передающей стороной и модуляцией по одному пространственному пути распространения.

На всех фигурах приняты следующие обозначения: 1 - модулятор, 2 - детектирующее устройство, 3 - светоделитель, 4 - зеркало, 5 - источник когерентных парных квантовых частиц (излучатель), 6 - пространственный путь распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц (путь), 7 - декодер, 8 - кодер, 9 - монитор (дисплей), 10 - кодер-декодер, L1 - расстояние от источник 5 когерентных парных квантовых частиц до модуляторов 1 стороны 11 (плечо), L2 - расстояние от источника 5 когерентных парных квантовых частиц до детекторов детектирующего устройства 2 стороны 12 (плечо), L3 - расстояние от источника 5 когерентных парных квантовых частиц до модуляторов 1 стороны 12 (плечо), L4, - расстояние от источника 5 когерентных парных квантовых частиц до детекторов детектирующего 2 устройства стороны 11 (плечо). 13 - излучающая часть устройства.

За последнее время были опубликованы многочисленные отчеты экспериментов с запутанными квантовыми частицами (фотонами). Такое запутывание предсказывалось квантовой механикой, начиная с 1920 г.

В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен написали статью (Einstein A., Podolsky В., Rosen N., «Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?», Phys. Rev. 47, 777, 1935), в которой поставили под сомнение истинность концепции запутывания, следующей из теории, и предположили существование "скрытых переменных" для объяснения запутывания. В 1962 г.Дж. С.Белл (Bell J. S., «Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics», New York, Cambridge University Press, 1993) математически показал, что эксперименты могли бы показать истинность предсказаний квантовой механики. Далее в 1980 А.Аспек (Aspect A., «Trois tests expérimentaux des inégalités de Bell par mesure de correlation de polarisation de photons», Doctoral Dissertation, Université Paris-Orsay, ler Février 1983), применив критерий Белла, экспериментально показал, что феномен запутывания фотонов подчиняется правилам квантовой механики.

В период 1990-2000 г.г. некоторые экспериментаторы также показали, что запутанные фотоны, генерируемые нелинейными кристаллами, могли оставаться запутанными на расстоянии до 10 км (см. Townsend P.D., Rarity J.G., Tapster P.R., «Single-Photon Interference in 10 km Long Optical-Fiber», Electronics Letters, V. 29, p.634, 1993). Последние эксперименты показали возможность передачи запутанного состояния через спутник на расстояние 144 км (R.Ursin et al., "Space-Quest, Experiments with Quantum Entanglement in Space," EuroPhysics News, DOI: 10.1051/ epn/2009503).

Физический эффект состоял в том, что мгновенное разрушение запутанного состояния, обусловленное измерением поляризации одного из фотонов, приводило к немедленной фиксации поляризации другого фотона в соответствии с законами квантовой механики. Были также осуществлены эксперименты по телепортации, в которых один фотон мог быть воспроизведен при транспортировке с помощью пары запутанных фотонов (см. Bennett С.Н. et al., "Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and EPR Channels", Phys. Rev. Lett. vol. 70, pp 1895-1899, 1993).

При этом теоретически было изучено (Bouda J. and Buzek V. "Entanglement swapping between multi-qubit systems" J.Phys. A: Math. Gen. 34, 4301-4311, 2001) и продемонстрировано экспериментально (de Riedmatten H. et al. "Long-distance entanglement swapping with photons from separated sources", Phys. Rev., A71, 050302, 2005) переключение запутывания (entanglement swapping), состоящее в передаче запутывания от одной совокупности частиц к другой.

В настоящее время считается, что невозможность передачи информации через запутанные состояния была обусловлена тем, что сами по себе запутанные состояния дают симметричную вероятностную картину наблюдения измеренной поляризации. Другими словами, вероятность поляризации квантовой частицы (фотона) вверх равнялась 50% и вниз также - 50%.

В таких условиях выделить информацию через измерения на передающей стороне принимающей стороной было невозможно.

Возможность передачи информации появляется в том случае, если объединить квантовый эффект запутанных состояний с эффектом коллапса волновой функции, в таком варианте исполнения появляется возможность на принимающей стороне выделять информацию через наблюдение интерференционной картины (см., например, описание изобретения по патенту РФ №2235434, кл. H04B 10/30, 2004).

Эксперименты показывают, что измерения поляризации квантовой частицы (фотона) приводят к коллапсированию волновой функции фотона, что, в свою очередь, предопределяет его поведение в момент наблюдения интерференции. В этом случае интерференция исчезает (J.Baldzuhn, E.Mohler and W.Martienssen. A wave-particle delayed-choice experiment with a single-photon state. Zeitschrift fuer Physik В Condensed Matter, 77(2):347-352, June 1989).

В предлагаемом техническом решении для передачи информации предполагается использовать наряду с квантовым эффектом запутанных состояний, также эффект коллапса волновой функции. С помощью эффекта коллапса волновой функции, предполагается получить возможность влиять на интерференционную картину на принимающей стороне таким образом, что статистические данные детектирования квантовых частиц (фотонов) будут однозначно трактоваться декодирующими устройствами как логические «1» или «0».

Таким образом, основу предлагаемого способа составляют экспериментально подтвержденные и изученные явления квантовой нелокальности запутанных частиц и эффект мгновенного коллапса волновой функции (редукция фон Неймана), хорошо известные в квантовой механике. При этом предлагаемое техническое решение (варианты) сконфигурировано таким образом, что центральное место в нем занимает излучатель, испускающий в противоположные стороны (пути) квантовые частицы в виде парных запутанных частиц.

Реализация предлагаемого способа для всех вариантов основана на использовании принципа «перекрестной суперпозиции». «Перекрестная суперпозиция» - это создание в физической среде таких условий, когда квантовые частицы оказываются в состоянии пространственной суперпозиции с возможностью интерферировать между собой на противоположных концах путей распространения. Другими словами, это такое распределение в пространстве путей распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц, при котором два пути от двух разных частиц движутся в одном направлении. Достигается это за счет того, что в излучающем устройстве одна частица раздваивается для перемещения по разным путям, и эти пути (в данном случае два пути) направляют в противоположные стороны. Такое же действие происходит и с парной частицей. Таким образом, на передающей и на принимающей сторонах формируются два пути распространения суперпозиционного состояния от двух разных частиц (две «половинки» от двух разных частиц).

Реализуется данный способ следующим образом. После выхода из источника 5 когерентных парных квантовых частиц (излучателя) (см. фиг.1) квантовые частицы (фотоны) сразу попадают в светоделители 3, затем при необходимости на зеркала 4, и далее в виде параллельных парных пространственных путей 6 распространения суперпозиционного состояния перемещаются в свободном пространстве либо по коммуникативным средам (например, оптоволокна) к адресатам - сторона 11 и сторона 22. После прохождения квантовыми частицами некоторого расстояния L1 на передающем плече (сторона 11), которое обязательно должно быть несколько короче (асимметрично) принимающего плеча L2 (сторона 12), установлены модуляторы 1, соединенные с кодером 8. При этом модуляторы 1 производят либо не производят (в зависимости от кодирующего сигнала) измерение состояния пространственных путей 6 распространения суперпозиционных состояний парных квантовых частиц. Далее пути 6 обязательно сходятся в детектирующем устройстве 2 принимающей стороны и необязательно (в зависимости от варианта) на передающей стороне. После попадания в детектирующее устройство 2 сигнал с него поступает в кодер-декодер 10 и далее в виде удобной для пользователя информации поступает на монитор 9. Данная последовательность при соблюдении L1<L2 обеспечивает передачу данных со стороны 11 на сторону 12. При соблюдении условия L3<L4, а также при наличии согласованного последовательного протокола передачи данных, становится возможной передача информации, по тем же каналам связи, со стороны 12 на сторону 11.

Пошаговая реализация предлагаемого способа с учетом различных его вариантов предусматривает последовательное срабатывание различных частей устройства, показанных на фиг.1-3.

В пределах излучающей части 13 устройства происходит следующее:

1 шаг - с помощью источника 5 когерентных парных квантовых частиц 5 в один момент времени получаем пару квантовых частиц (фотонов);

2 шаг - с помощью двух светоделителей 3 раздваиваем каждую частицу, на два пространственных пути 6 распространения суперпозиционного состояния, другими словами на две «полуволны»;

3 шаг - при помощи зеркал 4 производим перекрещивание путей 6 распространения суперпозиционного состояния от разных квантовых частиц по принципу «перекрестная суперпозиция», как показано на фиг.1;

4 шаг - отправляем перекрещенные «полуволны» от разных частиц в противоположные стороны (сторона 11 и сторона 12).

В свободном пространстве:

5 шаг - «полуволны» квантовых частиц (фотонов) перемещаются, одна пара перекрещенных «полуволн» - к передающей стороне, другая - к приемной;

6 шаг - первой приходит пара «полуволн», летящая к передающей стороне.

В пределах передающей стороны устройства происходит следующее:

7 шаг - пара «полуволн» достигает модулятора 1 (любое измерительное устройство, в частности ячейка Поккельса или ячейка Фарадея);

8 шаг - в модуляторе 1 в зависимости от того, какой необходимо передать сигнал, либо совершаем акт измерения, допустим это «1» в двоичной кодировке (в виде двоичного сигнала), либо не производим - тогда это «0»;

9 шаг - далее пространственные пути 6 сводим в детектирующем устройстве 2.

В пределах принимающей стороны устройства происходит следующее:

10 шаг - летящие к принимающей стороне «полуволны» от парных квантовых частиц достигают детектирующего устройства 2, к этому моменту они уже несут заданную модулятором 1 информацию;

11 шаг - в детектирующем устройстве 2 происходит регистрация поступающих частиц;

12 шаг - с детектирующего устройства 2 сигналы отправляем в кодер-декодер 10, декодируем и выводим на монитор 9 пользователя.

Необходимо обратить внимание на то, что детектирующее устройство 2 регистрирует попадания квантовых частиц (фотонов) в ту или иную область экрана детектора. В том случае, когда на передающей стороне ничего с путями распространения суперпозиционного состояния парных квантовых частиц (фотоном) не делали, то до экрана благополучно приходили волны (волновые функции) квантовых частиц (фотонов), которые, взаимодействуя друг с другом, образуют интерференционную картину в виде полос, то есть формируют условия попадания отдельных фотонов в определенные области экрана детектирующего устройства 2. В другом случае, когда на передающей стороне проводилось измерение, благодаря «перекрестной суперпозиции», волновые функции квантовых частиц, вовлеченных в акт измерения, - коллапсирует как на передающей, так и на принимающей сторонах. В этом случае интерференция пропадает, и фотоны на принимающей стороне будут попадать в другую область экрана детектирующего устройства. В декодирующем устройстве 7 осуществляется статистическая обработка попаданий квантовых частиц (фотонов), в ту или иную область экрана, при этом результат интерпретируется как регистрация одного из двух сигналов либо логической «1», либо логического «0».

Действительно, если приходят на принимающую сторону две квантовые частицы (фотоны), каждая в состоянии пространственной суперпозиции («полуволны»), и для них будут созданы все необходимые условия для возникновения между ними интерференции, они обязательно, по законам квантовой механики, в 100% случаев из 100 возможных должны проинтерферировать. Что проявится в виде попаданий отдельных фотонов в определенные зоны экрана детектора. Очевидно также, что если хотя бы на одном пространственном пути 6 распространения суперпозиционного состояния на передающей стороне, до прихода квантовой частицы на приемную сторону, будет произведено измерение, то квантовую частицу (фотон) в нем обнаружат с вероятностью в 50%, следовательно, на принимающей стороне в пределах 50%-ной вероятности волновая функция коллапсирует либо в пустой пространственный путь 6 распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц, либо в путь, по которому распространяется целый фотон. Это также полностью согласуется с законами квантовой механики. Именно в случаях, когда в одном из двух пространственных путей 6 распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц, на принимающей стороне, в результате измерений на передающей стороне, будет обнаружено отсутствие фотона, а по другому придет целый фотон, которому будет не с кем интерферировать, будет детектироваться отсутствие интерференции на принимающей стороне. Таким образом, через наблюдение на принимающей стороне, наличия или отсутствия интерференционной картины на детекторах, будет возможна передача информации. При этом в случаях, когда парные частицы предпочтительно будут находиться в состоянии спутывания между собой по любому из известных параметров, будет возрастать корреляция между модулирующими сигналами на передающей стороне и полученной статистикой на принимающей стороне. Вследствие этого будет повышаться скорость передачи информации. Кроме того, в случаях, когда парные частицы предпочтительно будут находиться в состоянии спутывания между собой по любому из известных параметров, будет возрастать безопасность от несанкционированного доступа к каналу связи, так как спутанные состояния уникальны (неповторимы), и легко идентифицируются легальными пользователями.

Первый вариант способа передачи информации с использованием квантовых частиц (см. фиг.1) осуществляется следующим образом.

Излучаемые источником 5 когерентные квантовые частицы, при помощи светоделителей 3 и зеркал 4, направляют на передающую и принимающую стороны пространственными путями 6 с возможностью формирования квантовой суперпозиции двух состояний. Стороны отдалены друг от друга и пути распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц проложены таким образом, что от источника 5 до места детектирования квантовых частиц на принимающей стороны пути длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне. На передающей стороне пространственные пути распространения суперпозиционного состояния 6 парных квантовых частиц (фотонов) модулируют в соответствии с передаваемыми двоичными сигналами, которыми кодируют передаваемую информацию, и сводят данные пути 6 на передающей стороне в детектирующем устройстве 2 для их регистрации с целью отображения передаваемой информации на мониторе 9. Информацию кодируют в кодер-декодерах 10, с которых управляющий сигнал поступает на модуляторы 1 передающей стороны. Информацию передают в виде двоичных сигналов. В соответствии с передаваемым двоичным сигналом, модуляцию на передающей стороне осуществляют с помощью физического воздействия на модулятор 1. Модулятор 1 изменяет условия распространения квантовых частиц таким образом, что с некоторой вероятностью, оно приводит в случаях его включения к нарушению интерференционной картины, а в случаях бездействия - к восстановлению интерференционной картины на принимающей стороне. На принимающей стороне выделение информации производят по наличию или отсутствию интерференционной картины на детектирующем устройстве 2 принимающей стороны. С детектирующего устройства 2 сигналы поступают на кодер-декодер 10 принимающей стороны и далее на монитор 9 пользователя. Первый вариант способа передачи информации с использованием квантовых частиц при соблюдении L1<L2 обеспечивает передачу данных с 1 стороны на 2 сторону. При соблюдении условия L3<L4, a также при наличии согласованного последовательного протокола передачи данных становится возможной передача информации, по тем же каналам связи, с 2 стороны на 1 сторону.

В качестве квантовых частиц (фотонов) можно использовать парно испускаемые спутанные квантовые частицы (фотоны), а также одновременно испускаемые парные спутанные группы частиц (фотонов).

Рассмотрим реализацию данного варианта способа на примере 1.

Пример 1. Использование запутанных парных квантовых частиц в базовой конфигурации

Источник когерентных квантовых частиц 5 испускает пару спутанных квантовых частиц (фотонов) в противоположных направлениях. В пределах излучающего устройства спутанные частицы попадают каждая в свой светоделитель 3, где входит в квантовую суперпозицию двух состояний (движение прямо и движение в сторону) и выходит, двигаясь в соответствии с суперпозицией двух состояний каждая по двум своим пространственным путям распространения 6.

Один из пространственных путей распространения 6 каждой квантовой частицы после светоделителя 3 лежит в первоначальном направлении, второй посредством отражателя 4 (в случаях прокладки пространственных путей распространения по свободному пространству, в случаях, например, с оптоволокном, необходимости в отражателях нет) направляется в обратном направлении, в направлении движения парной частицы.

Через некоторое время частицы достигают передающей и принимающей сторон.

На передающей стороне за некоторое время до того как на принимающей стороне появляются квантовые частицы (обязательное условие работы) оба пространственных пути распространения от двух разных частиц модулируют через модулятор 1 (ячейка Поккельса или ячейка Фарадея). На ячейку Фарадея подается сигнал (код «ноль») либо не подается сигнал (код «единица») в виде электрического импульса, вследствие чего на передающей стороне либо происходит акт измерения физического параметра (например, спина) частицы, либо нет. Вместо ячейки Фарадея допускается использование ячейки Поккельса. Эффект Поккельса, как и эффект Фарадея, практически безынерционен (быстродействие порядка 10-10 с). Благодаря этому он находит активное применение в создании оптических модуляторов. После прохождения модуляторов 1 частицы попадают в детектирующее устройство 2 передающей стороны для регистрации передаваемого сигнала.

Через некоторое время на принимающей стороне, вследствие работы модуляторов 1 на передающей стороне, детектирующее устройство 2 регистрирует либо отсутствие (в случаях измерения) либо присутствие интерференционной картины.

Таким образом, разрушая (коллапс волновой функции) либо оставляя интерференционную картину на принимающей стороне получателя информации, производя измерения на передающей стороне отправителя, становится возможным передача информации через ее кодирование «0»/«1».

Особенностью данного варианта является его повышенная безопасность от несанкционированного перехвата, а также способность передавать информацию в обоих направлениях. При соблюдении L1<L2 он обеспечивает передачу данных со стороны 11 на сторону 12. При соблюдении условия L3<L4, а также при наличии согласованного последовательного протокола передачи данных становится возможной передача информации по тем же каналам связи со стороны 12 на сторону 11.

Второй вариант способа передачи информации с использованием квантовых частиц (см. фиг.2) осуществляется следующим образом.

Излучаемые источником 5 когерентные квантовые частицы при помощи светоделителей 3 и зеркал 4 направляют на передающую и принимающую стороны пространственными путями 6 с возможностью формирования квантовой суперпозиции двух состояний. Стороны отдалены друг от друга и пути распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц проложены таким образом, что от источника 5 до места детектирования квантовых частиц на принимающей стороны пути длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне. На передающей стороне пространственные пути 6 распространения суперпозиционного состояния парных квантовых частиц (фотонов) модулируют в соответствии с передаваемыми двоичными сигналами, которыми кодируют передаваемую информацию. Информацию кодируют в кодере 8, с которого управляющий сигнал поступает на модуляторы 1 передающей стороны. Информацию передают в виде двоичных сигналов. В соответствии с передаваемым двоичным сигналом модуляцию на передающей стороне осуществляют с помощью физического воздействия на модулятор 1. Модулятор 1 изменяет условия распространения квантовых частиц таким образом, что с некоторой вероятностью, оно приводит в случаях его включения к нарушению интерференционной картины, а в случаях бездействия к восстановлению интерференционной картины на принимающей стороне. На принимающей стороне выделение информации производят по наличию или отсутствию интерференционной картины - на детектирующем устройстве 2 принимающей стороны. С детектирующего устройства 2 сигналы поступают на декодер 7 принимающей стороны и далее на монитор 9 пользователя.

Особенностью данного варианта является его способность передавать информацию лишь в одном направлении от передающей стороны к принимающей стороне.

Рассмотрим реализацию данного варианта способа на примере 2.

Пример 2. Использование запутанных парных квантовых частиц без детектирования передающей стороной

Источник 5 когерентных квантовых частиц испускает пару спутанных квантовых частиц в противоположных направлениях. В пределах излучающего устройства спутанные частицы попадают каждая в свой светоделитель 3, где входит в квантовую суперпозицию двух состояний (движение прямо и движение в сторону) и выходит, двигаясь в соответствии с суперпозицией двух состояний, каждая по двум своим пространственным путям 6 распространения.

Один из пространственных путей 6 распространения каждой квантовой частицы после светоделителя 3 лежит в первоначальном направлении, второй посредством отражателя 4 (в случаях прокладки пространственных путей 6 распространения по свободному пространству, в случаях, например, с оптоволокном, необходимости в отражателях нет) направляется в обратном направлении, в направлении движения парной частицы.

Через некоторое время частицы достигают передающей и принимающей сторон.

На передающей стороне за некоторое время до того как на принимающей стороне появляются квантовые частицы (обязательное условие работы) оба пространственных пути распространения от двух разных частиц модулируют через модулятор 1 (ячейка Поккельса или ячейка Фарадея). На ячейку Фарадея подается сигнал (код «ноль») либо не подается сигнал (код «единица») в виде электрического импульса. Вследствие этого на передающей стороне либо происходит акт измерения физического параметра (например, спина) частицы, либо нет. Через некоторое время на принимающей стороне, вследствие работы модуляторов 1 на передающей стороне, детектирующее устройство 2 регистрирует либо отсутствие (в случаях измерения) либо присутствие интерференционной картины.

Таким образом, разрушая (коллапс волновой функции) либо оставляя интерференционную картину на принимающей стороне получателя информации, производя измерения на передающей стороне отправителя, становится возможным передача информации через ее кодирование «0»/«1».

Особенностью данного варианта является его повышенная безопасность от несанкционированного перехвата при передаче информации в одном направлении от передающей стороны к принимающей стороне.

Третий вариант способа передачи информации с использованием квантовых частиц (см. фиг.3) осуществляется следующим образом.

Излучаемые когерентным источником 5 квантовые частицы при помощи светоделителей 3 и зеркал 4 направляют на передающую и принимающую стороны пространственными путями 6 с возможностью формирования квантовой суперпозиции двух состояний. Стороны отдалены друг от друга и пути распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц проложены таким образом, что от источника 5 до места детектирования квантовых частиц на принимающей стороны пути длиннее, чем от источника 5 до места модулирования на передающей стороне. На передающей стороне один пространственный путь распространения суперпозиционного состояния 6 квантовой частицы (фотона) модулируют в соответствии с передаваемыми двоичными сигналами, которыми кодируют передаваемую информацию. Информацию кодируют в кодере 8, с которого управляющий сигнал поступает на модуляторы 1 передающей стороны. Информацию передают в виде двоичных сигналов. В соответствии с передаваемым двоичным сигналом модуляцию на передающей стороне осуществляют с помощью физического воздействия на модулятор 1. Модулятор 1 изменяет условия распространения квантовых частиц таким образом, что с некоторой вероятностью оно приводит в случаях его включения к нарушению интерференционной картины, а в случаях бездействия к восстановлению интерференционной картины - на принимающей стороне. На принимающей стороне выделение информации производят по наличию или отсутствию интерференционной картины на детектирующем устройстве 2 принимающей стороны. С детектирующего устройства 2 сигналы поступают на декодер 7 принимающей стороны и далее на монитор 9 пользователя.

Особенностью данного варианта является его повышенная надежность за счет упрощения устройства аппаратного инструмента передающей стороны.

Рассмотрим реализацию данного варианта способа на примере 3.

Пример 3. Использование запутанных парных квантовых частиц без детектирования передающей стороной и модуляцией по одному пространственному пути распространения

Источник 5 когерентных квантовых частиц испускает пару спутанных квантовых частиц в противоположных направлениях. В пределах излучающего устройства спутанные частицы попадают каждая в свой светоделитель 3, где входит в квантовую суперпозицию двух состояний (движение прямо и движение в сторону) и выходит, двигаясь в соответствии с суперпозицией двух состояний, каждая по двум своим пространственным путям 6 распространения.

Один из пространственных путей 6 распространения каждой квантовой частицы после светоделителя 3 лежит в первоначальном направлении, второй посредством отражателя 4 (в случаях прокладки пространственных путей 6 распространения по свободному пространству, в случаях, например, с оптоволокном, необходимости в отражателях нет) направляется в обратном направлении, в направлении движения парной частицы. Через некоторое время частицы достигают передающей и принимающей сторон.

На передающей стороне за некоторое время до того, как на принимающей стороне появляются квантовые частицы (обязательное условие работы) один пространственный путь распространения суперпозиционного состояния квантовой частицы модулируют через модулятор 1 (ячейка Поккельса или ячейка Фарадея). На ячейку Фарадея подается сигнал (код «ноль») либо не подается сигнал (код «единица») в виде электрического импульса. Вследствие этого на передающей стороне либо происходит акт измерения физического параметра (например, спина) частицы, либо нет. Через некоторое время на принимающей стороне, вследствие работы модуляторов 1 на передающей стороне, детектирующее устройство 2 регистрирует либо отсутствие (в случаях измерения) либо присутствие интерференционной картины.

Таким образом, разрушая (коллапс волновой функции) либо оставляя интерференционную картину на принимающей стороне получателя информации, производя измерения на передающей стороне отправителя, становится возможным передача информации через ее кодирование «0»/«1».

Особенностью данного варианта является его повышенная безопасность от несанкционированного перехвата, при упрощении устройства аппаратного инструмента передающей стороны.

По всей видимости, имеются и другие варианты предложенной квантовой связи, основанные на описанном выше принципе. Однако они могут отличаться конфигурацией устройств, которые реализуют конкретный вариант способа.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить надежность передачи информации от передающей стороны к принимающей стороне канала связи.

1. Способ передачи информации с использованием квантовых частиц, характеризующийся тем, что для каждой частицы из пары, испущенной когерентным источником парных квантовых частиц, формируют направленные на передающую и принимающую стороны пространственные пути распространения суперпозиционного состояния с возможностью получения между парными частицами взаимной интерференции как на передающей, так и на принимающей стороне, на передающей стороне все пришедшие к ней пространственные пути распространения суперпозиционного состояния парных квантовых частиц модулируют и после этого сводят в детекторе квантовых частиц, информацию кодируют и передают в виде двоичных сигналов, при этом в соответствии с передаваемым двоичным сигналом модуляцию на передающей стороне осуществляют с помощью физического воздействия, изменяющего условия распространения квантовых частиц таким образом, что при его первом значении происходит нарушение интерференционной картины, а при втором его значении происходит восстановление интерференционной картины на принимающей стороне, причем на принимающей стороне выделение информации осуществляют по наличию или отсутствию интерференционной картины, при этом пути распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц проложены таким образом, что от источника до места детектирования квантовых частиц на принимающей стороне пути, длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне.

2. Способ п.1, характеризующийся тем, что в качестве когерентного источника парных квантовых частиц используют источник парных запутанных квантовых частиц.

3. Способ передачи информации с использованием квантовых частиц, характеризующийся тем, что для каждой частицы из пары, испущенной когерентным источником парных квантовых частиц, формируют направленные на передающую и принимающую стороны пространственные пути распространения суперпозиционного состояния с возможностью получения между парными частицами взаимной интерференции на принимающей стороне, на передающей стороне все пришедшие к ней пространственные пути распространения суперпозиционного состояния парных квантовых частиц модулируют, информацию кодируют и передают в виде двоичных сигналов, при этом в соответствии с передаваемым двоичным сигналом модуляцию на передающей стороне осуществляют с помощью физического воздействия, изменяющего условия распространения квантовых частиц таким образом, что при его первом значении происходит нарушение интерференционной картины, а при втором его значении происходит восстановление интерференционной картины на принимающей стороне, причем на принимающей стороне выделение информации осуществляют по наличию или отсутствию интерференционной картины, при этом пути распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц проложены таким образом, что от источника до места детектирования квантовых частиц на принимающей стороне пути, длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне.

4. Способ по п.3, характеризующийся тем, что в качестве когерентного источника квантовых парных частиц используют источник парных запутанных квантовых частиц.

5. Способ передачи информации с использованием квантовых частиц, характеризующийся тем, что для каждой частицы из пары, испущенной когерентным источником парных квантовых частиц, формируют направленные на передающую и принимающую стороны пространственные пути распространения суперпозиционного состояния с возможностью получения между парными частицами взаимной интерференции на принимающей стороне, на передающей стороне модулируют один пришедший к ней пространственный путь распространения суперпозиционного состояния парных квантовых частиц, информацию кодируют и передают в виде двоичных сигналов, при этом в соответствии с передаваемым двоичным сигналом модуляцию на передающей стороне осуществляют с помощью физического воздействия, изменяющего условия распространения квантовых частиц таким образом, что при его первом значении происходит нарушение интерференционной картины, а при втором его значении происходит восстановление интерференционной картины на принимающей стороне, причем на принимающей стороне выделение информации осуществляют по наличию или отсутствию интерференционной картины, при этом пути распространения суперпозиционного состояния квантовых частиц проложены таким образом, что от источника до места детектирования квантовых частиц на принимающей стороне пути, длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне.

6. Способ по п.5, характеризующийся тем, что в качестве когерентного источника парных квантовых частиц используют источник парных запутанных квантовых частиц.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области инфотелекоммуникаций. .

Изобретение относится к технике электросвязи. .

Изобретение относится к волоконно-оптической связи с высокой пропускной способностью, предусматривающей спектральное уплотнение. .

Изобретение относится к устройству передачи оптических данных и, в частности, к устройству для реализации дублирования в передаче оптических данных. .

Изобретение относится к приемопередающим система, использующим световые волны, и может быть применено для передачи информации между корреспондентами через атмосферу.

Изобретение относится к оптической связи и позволяет осуществлять двустороннюю передачу данных по одному волоконному световоду на одной длине световой волны. .

Изобретение относится к системам связи и может использоваться для полудуплексного обмена информацией на оптической несущей Цель изобретения - повьшение скорости обмена информацией путем уменьшения времени переходного процесса при переходе с передачи на прием.
Наверх