СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДИНОЧНЫХ КВАНТОВЫХ ЧАСТИЦ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК H04B10/90 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технике связи и может использоваться при передаче информации на расстояние на основе известного в квантовой механике свойства квантовых частиц: «дуальности: волна-частица», выраженного посредством эффекта «коллапс волновой функции», известного также как «Редукция фон Неймана».

Уровень техники

Известны способы передачи информации на основе квантовых частиц, одними из которых являются фотоны: US 2010/0046754 A1 опубл. 25.02.2010; JP 2001/028584 A, опубл. 30.01.2001; US 2007/0070353 A1, опубл. 29.03.2007.

Известен также способ передачи информации на основе нелокальной квантовой корреляции между частицами в перепутанном квантово-механическом состоянии (патент РФ на изобретение №2235434, опубл. 27.08.2004). 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.

Недостатками известных способов является относительно низкая надежность передачи информации от передающей стороны к принимающей стороне канала связи.

Раскрытие изобретения

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

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе передачи информации с использованием одиночных квантовых частиц (по первому варианту) для каждой частицы из пары, испущенных двумя когерентными источниками одиночных 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 прокладывают через модулятор 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.

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе передачи информации с использованием одиночных квантовых частиц (по второму варианту) для каждой частицы из пары, испущенных двумя когерентными источниками одиночных 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 прокладывают через модулятор, 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.

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе передачи информации с использованием одиночных квантовых частиц (по третьему варианту) для каждой частицы из пары, испущенных двумя когерентными источниками одиночных 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 прокладывают через модулятор 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.

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе передачи информации с использованием одиночных квантовых частиц (по четвертому варианту) для одной частицы из пары, испущенных двумя когерентными источниками одиночных квантовых частиц, один из которых расположен на принимающей стороне, 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 прокладывают через модулятор пришедший к ней пространственный путь распространения суперпозиционного состояния квантовой частицы, 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 квантовой частицы 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 квантовой частицы проложены таким образом, что от источника до места детектирования квантовой частицы на принимающей стороне пути длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4, где на фиг.1 иллюстрируется схема устройства, реализующего способ по первому варианту с использованием двух когерентных источников, излучаемых одиночные квантовые частицы в базовой конфигурации, на фиг.2 показана схема устройства, реализующего способ по второму варианту с использованием двух когерентных источников, излучаемых одиночные квантовые частицы без детектирования передающей стороной, на фиг.3 приведена схема устройства, реализующего способ по третьему варианту с использованием двух когерентных источников, излучаемых одиночные квантовые частицы без детектирования передающей стороной и модуляцией по одному пространственному пути распространения, на фиг.4 приведена схема устройства, реализующего способ по четвертому варианту с использованием двух когерентных источников, излучаемых одиночные квантовые частицы, один из которых расположен на принимающей стороне.

На всех фигурах приняты следующие обозначения: 1 - модулятор, 2 - детектирующее устройство, 3 - светоделитель, 4 - зеркало, 5 - источник когерентных одиночных 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 источника когерентных одиночных квантовых частиц до модуляторов стороны №1 (плечо), L₂ - расстояние от источника когерентных одиночных квантовых частиц до детекторов детектирующего устройства стороны №2 (плечо), L₃ - расстояние от источника когерентных одиночных квантовых частиц до модуляторов стороны №2 (плечо), L₄ - расстояние от источника когерентных одиночных квантовых частиц до детекторов детектирующего устройства стороны №1 (плечо).

Осуществление изобретения

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, Е. 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 эффект «коллапс волновой функции», известный также как «Редукция фон Неймана». На базе 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 составляет экспериментально подтвержденное и изученное явление - коллапс волновой функции (редукция фон Неймана), хорошо известное в квантовой механике. При этом предлагаемое техническое решение (варианты) сконфигурировано таким образом, что центральное место в нем занимает излучатель, испускающий в противоположные стороны (пути) одиночные квантовые частицы в суперпозиционном состоянии.

Реализация предлагаемого способа для всех вариантов основана на использовании принципа «перекрестной суперпозиции». «Перекрестная суперпозиция» - это создание в физической среде таких условий, когда одиночные квантовые частицы оказываются в состоянии пространственной суперпозиции с возможность интерферировать между собой на противоположных концах путей распространения. Другими словами, это такое распределение в пространстве путей распространения суперпозиционного состояния одиночных квантовых частиц, при котором два пути от двух разных частиц движутся в одном направлении. Достигается это за счет того, что в излучающем устройстве одиночная квантовая частица вводится в состояние суперпозиции (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 одиночной частицей. Таким образом, на передающую и на принимающую стороны приходят два пути распространения суперпозиционного состояния от двух разных одиночных квантовых частиц (две «половинки» от двух разных частиц).

Реализуется данный способ следующим образом. После выхода пары одиночных квантовых частиц (фотоны), каждая из собственного когерентного источника (излучателя) 5 (см. фиг.1), частица попадает в собственный светоделитель 3, затем на собственное зеркало 4, и далее в виде параллельных парных пространственных путей распространения суперпозиционного состояния 6 перемещаются либо в свободном пространстве, либо по коммуникативным средам (например, оптоволокно) к адресатам - сторона №1 и сторона №2. После прохождения квантовыми частицами некоторого расстояния L₁ на передающем плече (сторона №1), которое обязательно должно быть несколько короче (асимметрично) принимающего плеча L₂ (сторона №2), установлены модуляторы 1, соединенные с кодером 8. При этом модуляторы 1 производят либо не производят (в зависимости от кодирующего сигнала) измерения состояния пространственных путей распространения суперпозиционных состояний парных одиночных квантовых частиц 6. 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 с стороны №1 на сторону №2. 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 №2 на сторону №1.

Пошаговая реализация предлагаемого способа с учетом различных его вариантов предусматривает последовательное срабатывание различных частей устройства, показанных на фиг.1-4.

Рассмотрим вариант распространения одиночных квантовых частиц в свободном пространстве.

В пределах излучающей части устройства происходит следующее:

1 шаг - с помощью источников когерентных одиночных 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 распространения суперпозиционного состояния 6, другими словами на две «полуволны»;

3 шаг - при помощи зеркал 4 производим перекрещивание путей 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 №1 и сторона №2);

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 совершается акт измерения, что соответствует «1» в двоичной кодировке, либо не совершается акт измерения, что соответствует «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 одиночных 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 отправляются в кодер-декодер 10, декодируются и выводятся на монитор пользователя 9.

Необходимо обратить внимание, что детектирующее устройство 2 регистрирует попадания квантовых частиц (фотонов) в ту или иную область экрана детектора. В первом случае, когда на передающей стороне не совершали акта измерения путей распространения суперпозиционного состояния пары одиночных квантовых частиц (фотонов), то до экрана благополучно приходят 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. Во втором случае, когда на передающей стороне проводилось измерение, благодаря «перекрестной суперпозиции», волновые функции квантовых частиц, вовлеченных в акт измерения - коллапсируют, как на передающей, так и на принимающей сторонах, 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 распространения суперпозиционного состояния на передающей стороне, до прихода квантовой частицы на принимающую сторону, будет произведено измерение, то квантовую частицу (фотон) в нем обнаружат с вероятностью в 50%, следовательно, на принимающей стороне в пределах 50%-ой вероятности волновая функция коллапсирует либо в пустой пространственный путь 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 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. Другими словами, передающая сторона имеет возможность манипулировать дуальностью «волна-частица» одиночных квантовых частиц и таким образом транслирует принимающей стороне свою волю видеть либо волновые, либо корпускулярные признаки квантовой частицы, через коллапс ее волновых свойств. При этом волновые свойства устанавливаются по умолчанию, а корпускулярная природа квантовой частицы проявляется лишь при вмешательстве в систему на передающей стороне.

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

Излучаемые источниками 5 когерентные одиночные 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 таким образом, что расстояние от источников 5 до места положения детектирующих устройств 2 принимающей стороны больше, чем до места положения модуляторов 1 передающей стороны. На передающей стороне пространственные пути распространения суперпозиционного состояния 6 пары одиночных квантовых частиц (фотонов) прокладывают через модулятор 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 одиночных 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, а 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 можно использовать фотоны, а также одновременно испускаемые парные группы частиц (фотонов).

Рассмотрим реализацию данного варианта способа на примере 1.

Пример 1. Использование пары одиночных квантовых частиц в базовой конфигурации

Источники когерентных одиночных квантовых частиц 5 испускают пару квантовых частиц (фотонов) в противоположных направлениях. В пределах излучающего устройства каждая частица попадают 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 суперпозиционным путям распространения 6.

Один из пространственных путей распространения 6 каждой одиночной 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 одиночной частицы.

Через некоторое время частицы достигают передающей и принимающей сторон.

На передающей стороне за некоторое время до того, как на принимающей стороне квантовые частицы в суперпозиционном состоянии появляются (обязательное условие работы), оба суперпозиционных пространственных пути распространения от двух разных частиц прокладывают через модулятор 1 (ячейка Поккельса или ячейка Фарадея). На ячейку подается сигнал код «1» либо не подается сигнал код «0» (возможен обратный порядок), в виде электрического импульса, вследствие чего на передающей стороне либо происходит акт измерения физического параметра (например: поляризации или спина) частицы, либо нет. Эффект Поккельса, как и эффект Фарадея, практически безынерционен (быстродействие порядка 10^-10 с). Благодаря этому они находят 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, на передающей стороне, разрушая через измерение, в результате которого происходит эффект «коллапс волновой функции», либо бездействуя - оставляя интерференционную картину на принимающей стороне, становится возможным передача информации через ее кодирование «1»/«0».

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 с 1 стороны на 2 сторону. При соблюдении условия L₃<L₄, а также при наличии согласованного последовательного протокола передачи данных становится возможной передача информации по тем же каналам связи с 2-й стороны на 1-ю сторону.

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

Излучаемые источниками 5 когерентные одиночные 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 таким образом, что расстояние от источников 5 до места положения детекторов 2 принимающей стороны больше, чем до места положения модуляторов 1 передающей. На передающей стороне пространственные пути распространения суперпозиционного состояния 6 пары одиночных квантовых частиц (фотонов) прокладывают через модулятор 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 сигналы поступают на декодер 7 принимающей стороны и далее на монитор пользователя 9.

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.

Источники 5 когерентных одиночных квантовых частиц испускают пару квантовых частиц в противоположных направлениях. В пределах излучающего устройства частицы попадают каждая в свой светоделитель 3, где входят в квантовую суперпозицию двух состояний (движение прямо и движение в сторону) и выходят, двигаясь в соответствии с суперпозицией двух состояний, каждая по двум своим пространственным суперпозиционным путям распространения 6.

Один из пространственных путей распространения 6 каждой одиночной 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 квантовые частицы в суперпозиционном состоянии появляются (обязательное условие работы), оба пространственных пути распространения от двух разных частиц прокладывают через модулятор 1 (ячейка Поккельса или ячейка Фарадея). На ячейку подается сигнал код «1» либо не подается сигнал код «0» (возможен обратный порядок), в виде электрического импульса, вследствие чего на передающей стороне либо происходит акт измерения физического параметра (например: поляризации или 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, на передающей стороне, разрушая через измерение, в результате которого происходит эффект «коллапс волновой функции», либо бездействуя - оставляя интерференционную картину на принимающей стороне, становится возможным передача информации через ее кодирование «1»/«0».

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 одиночных квантовых частиц (см. фиг.2) осуществляется следующим образом.

Излучаемые источниками 5 когерентные одиночные 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 таким образом, что расстояние от источников 5 до места положения детекторов 2 принимающей стороны больше, чем до места положения модуляторов 1 передающей. На передающей стороне один из двух пространственных путей распространения суперпозиционного состояния 6 пары одиночных квантовых частиц (фотонов) прокладывают через модулятор 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 сигналы поступают на декодер 7 принимающей стороны и далее на монитор пользователя 9.

Особенностью данного варианта является его повышенная надежность, происходит это 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.

Источники 5 когерентных одиночных квантовых частиц испускают пару квантовых частиц в противоположных направлениях. В пределах излучающего устройства частицы попадают каждая в свой светоделитель 3, где входят в квантовую суперпозицию двух состояний (движение прямо и движение в сторону) и выходят, двигаясь в соответствии с суперпозицией двух состояний, каждая по двум своим пространственным суперпозиционным путям распространения 6.

Один из пространственных путей распространения 6 каждой одиночной 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 квантовые частицы в суперпозиционном состоянии появляются (обязательное условие работы), один пространственный путь распространения от двух разных частиц прокладывают через модулятор 1 (ячейка Поккельса или ячейка Фарадея). На ячейку подается сигнал код «1» либо не подается сигнал код «0» (возможен обратный порядок), в виде электрического импульса, вследствие чего на передающей стороне либо происходит акт измерения физического параметра (например: поляризации или спина) частицы, либо нет. Через некоторое время на принимающей стороне, вследствие работы модулятора 1 на передающей стороне, детектирующее устройство 2 регистрирует либо отсутствие (в случаях измерения), либо присутствие интерференционной картины.

Таким образом, на передающей стороне, разрушая через измерение, в результате которого происходит эффект «коллапс волновой функции», либо бездействуя - оставляя интерференционную картину на принимающей стороне, становится возможным передача информации через ее кодирование «1»/«0».

Особенностью данного варианта является его повышенная надежность, при упрощении устройства аппаратного инструмента передающей стороны.

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

Излучаемые источником 5 когерентные одиночные квантовые частицы при помощи светоделителя 3 и зеркала 4 направляются на передающую и принимающую стороны пространственными путями 6 с возможностью формирования квантовой суперпозиции двух состояний. Стороны отдалены друг от друга таким образом, что расстояние от источника 5 до места положения детектора 2 принимающей стороны больше, чем до места положения модулятора 1 передающей. На передающей стороне один пространственный путь распространения суперпозиционного состояния 6 одиночных квантовых частиц (фотонов) прокладывают через модулятор в соответствии с передаваемыми двоичными сигналами, которыми кодируют передаваемую информацию. Информацию кодируют в кодере 8, с которого управляющий сигнал поступает на модулятор 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. На принимающей стороне, с целью проявления интерференции используют собственный источник когерентных одиночных квантовых частиц (сервисный, вспомогательный фотон). С детектирующего устройства сигналы поступают на декодер 7 принимающей стороны и далее на монитор пользователя 9.

Особенностью данного варианта является его повышенная безопасность от несанкционированного перехвата и надежность.

Рассмотрим реализацию данного варианта способа на примере 4.

Пример 4. Использование запутанных парных квантовых частиц без детектирования передающей стороной и модуляцией по одному пространственному пути распространения.

Источник 5 когерентных одиночных квантовых частиц поочередно испускает квантовые частицы. В пределах излучающего устройства частицы попадают в светоделитель 3, где входят в квантовую суперпозицию двух состояний (движение прямо и движение в сторону) и выходят, двигаясь в соответствии с суперпозицией двух состояний по двум пространственным суперпозиционным путям распространения 6.

Один из пространственных путей распространения 6 одиночных квантовых частиц 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.

Через некоторое время частицы достигают передающей и принимающей сторон.

На передающей стороне за некоторое время до того, как на принимающей стороне квантовые частицы в суперпозиционном состоянии появляются (обязательное условие работы), пространственный путь распространения частиц прокладывают через модулятор 1 (ячейка Поккельса или ячейка Фарадея). На ячейку подается сигнал код «1» либо не подается сигнал код «0» (возможен обратный порядок), в виде электрического импульса, вследствие чего на передающей стороне либо происходит акт измерения физического параметра (например: поляризации или спина) частицы, либо нет. Через некоторое время на принимающей стороне, вследствие работы модулятора 1 на передающей стороне, и собственного вспомогательного источника когерентных одиночных квантовых частиц (фотонов), детектирующее устройство 2 регистрирует либо отсутствие (в случаях измерения), либо присутствие интерференционной картины.

Таким образом, на передающей стороне, разрушая через измерение, в результате которого происходит эффект «коллапс волновой функции», либо бездействуя - оставляя интерференционную картину на принимающей стороне, становится возможным передача информации через ее кодирование «1»/«0».

Особенностью данного варианта является его повышенная безопасность от несанкционированного перехвата и надежность.

По всей видимости, имеются и другие варианты предложенной квантовой связи, основанные на описанном выше принципе. Однако они могут отличаться количественной конфигурацией устройств, которые реализуют конкретный вариант способа, например вместо одновременного использования одной пары одиночных квантовых частиц возможно использование двух и более пар, либо использование вместо фотонов в качестве одиночных квантовых частиц - электронов, но подобные изменения не влекут к качественным отличиям от предложенных вариантов.

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

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. Техническим результатом является повышение надежности передачи информации от передающей стороны к принимающей стороне канала связи. Для этого для каждой частицы из пары испущенных двумя когерентными источниками одиночных 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. 4 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ передачи информации с использованием одиночных квантовых частиц, характеризующийся тем, что для каждой частицы из пары испущенных двумя когерентными источниками одиночных 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 прокладывают через модулятор 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 передачи информации с использованием одиночных квантовых частиц, характеризующийся тем, что для каждой частицы из пары испущенных двумя когерентными источниками одиночных 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 прокладывают через модулятор, 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

3. Способ передачи информации с использованием одиночных квантовых частиц, характеризующийся тем, что для каждой частицы из пары испущенных двумя когерентными источниками одиночных 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 прокладывают через модулятор 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.

4. Способ передачи информации с использованием одиночных квантовых частиц, характеризующийся тем, что для одной частицы из пары испущенных двумя когерентными источниками одиночных квантовых частиц один из которых расположен на принимающей стороне, 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 прокладывают через модулятор пришедший к ней пространственный путь распространения суперпозиционного состояния квантовой частицы, 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 квантовой частицы 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 квантовой частицы проложены таким образом, что от источника до места детектирования квантовой частицы на принимающей стороне пути длиннее, чем от источника до места модулирования на передающей стороне.