Квантовые коммуникации сами по себе являются весьма странной вещью, но мало кому известно, что есть несколько видов квантовых коммуникаций, каждый из которых, можно так сказать, еще более странный, чем предыдущий. Наиболее странная форма носит название прямой нереальной квантовой коммуникации, она отличается тем, что для ее функционирования не требуется передачи физических частиц между абонентами. Ученые из области теоретической физики уже давно доказали возможность создания прямых нереальных квантовых коммуникационных каналов, и в 2017 году ученым впервые удалось реализовать на практике такую технологию, передав битовый массив черно-белого изображения из одного места в другое.
Отметим, что обычные квантовые коммуникационные технологии основаны на так называемой телепортации квантовой информации, которая использует явление квантовой запутанности. Квантовая запутанность – это своего рода связь между двумя физическими частицами и если изменить состояние одной из запутанных частиц, состояние второй частицы изменится соответствующим образом, невзирая на разделяющее их расстояние, которое в теории может быть бесконечно большим.
Однако, для реализации квантовой телепортации необходима передача частиц из точки отправки информации в точку ее получения. При этом, передаваться может как одна из заранее запутанных частиц, так и промежуточная частица-посредник, обычно фотон света, при помощи которой производится запутывание двух других частиц, находящихся в разных местах.
Технология прямых нереальных квантовых коммуникаций полагается на нечто другое, а не на явление квантовой запутанности. И этим чем-то другим является так называемый квантовый эффект Зенона (quantum Zeno effect), который возникает при неоднократном измерении состояния нестабильной квантовой системы.
В квантовом мире всякий раз, когда производится измерение состояния квантовой системы, это измерение приводит к изменению состояния системы. Однако, при измерении состояния системы с определенной частотой эта система как бы “замораживается” и переходит в метастабильное состояние, в чем и заключается эффект Зенона. В качестве примера этого эффекта можно привести поведение частицы радиоактивного элемента, которая никогда не распадется, если производить частые измерения ее состояния.
Для создания сложной квантовой системы исследователи из Китайского научно-технологического университета (University of Science and Technology of China) поместили датчики единичных фотонов в область выходных портов установки, состоящей из множества расщепителей лучей света. Из-за квантового эффекта Зенона эта система оказалась в замороженном состоянии, что позволяло предсказать с высокой вероятностью, какой именно из датчиков сработает в момент выхода фотона из расщепителя. Для контроля замороженного состояния системы использовалось несколько устройств-интерферометров.
Прямая нереальная передача квантовой информации работает за счет того, что в квантовом мире частицы света, фотоны, могут быть полностью описаны волновыми функциями. Включив полезную информацию в эти волновые функции, исследователи смогли передать сообщение в пределах системы, не посылая никаких частиц из одной точки в другую. В качестве носителя информации выступала фаза колебаний волны света, а для декодирования информации использовался интерферометр, снабженный тремя независимыми датчиками единичных фотонов. Комбинации срабатываний этих трех датчиков позволили определить характеристики фотона света, соответствующие значениям 1, 0 и неопределенному значению.
И в заключение следует заметить, что данный эксперимент должен быть проведен другими независимыми группами ученых, которые должны подтвердить истинность полученных результатов. Но и сейчас уже можно сказать, что это достижение является очень большим шагом в развитии области квантовых коммуникаций, который может привести к появлению новых систем, не требующих передачи фотонов света или других физических частиц. И, кроме квантовых коммуникаций, новая технология может быть использована в других областях, к примеру, в археологии для проведения съемки древних артефактов, которые могут быть повреждены при попадании на них фотонов света.