СПОСОБ СВЯЗИ Российский патент 2018 года по МПК H04B10/70 

Изобретение относится к способу связи, использующей квантовую запутанность. В предлагаемом изобретении использованы известные из физики оптические эффекты и экспериментально подтвержденные явления квантовой нелокальности запутанных состояний.

Практическая реализация данного способа связи предполагает выполнение известных в оптических системах операций и может осуществляться с помощью известных функциональных элементов.

Задачей настоящего изобретения является передача и прием информации на расстояние на основе квантовой корреляции.

Эта задача решается в способе связи, включающем облучение на передающей и приемной стороне фотонами когерентного монохроматического света двух пространственно разделенных термолюминесцентных кристаллов, содержащих квантово-механически запутанные между ними электронные центры окраски, разницей в частоте фотонов когерентного монохроматического света между передающей и приемной сторонами задают отличие частоты вторичных волн, излучаемых квантово-механически запутанными электронными центрами окраски, от частоты фотонов когерентного монохроматического света на указанных сторонах, при этом вторичные волны из упомянутого света выделяют, а затем измеряют. Термолюминесцентный кристалл на приемной стороне облучают упомянутым светом в непрерывном режиме, а на передающей - в импульсном. Кроме того, вторичные волны выделяют на приемной стороне, а измеряют в соответствии с длительностью упомянутых импульсов.

В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен написали статью [1], 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 математически показал [2], что эксперименты могли бы показать истинность предсказаний квантовой механики, что впоследствии и было неоднократно подтверждено экспериментами [3, 4].

Известен эксперимент [5] с двумя пространственно разделенными TLD-кристаллами (кристаллами для термолюминесцентной дозиметрии), находящимися в Батон-Руж, Луизиана (США) и Живарлэ (Франция) на расстоянии 8182 км. TLD-кристаллы одновременно и совместно были облучены рентгеновским излучением с целью создания запутанных ловушек (электронных центров окраски) в смежных кристаллах. Один из этих кристаллов был затем отправлен в Батон-Руж, а его запутанный партнер остался в Живарлэ. Подогрев кристалла, находящегося в Батон-Руж, производился в соответствии с температурой другого запутанного с первым кристалла, которая фотоумножителем измерялась в Живарлэ и была равна температуре окружающей среды. Были получены, в силу квантовых корреляций запутанных состояний электронов центров окраски, сигналы при нарастании, а затем убывании температуры, вследствие отключения подогревающего устройства в Батон-Руж. Момент, когда в Батон-Руж был достигнут максимум температуры TLD, точно соответствовал моменту максимума корреляции сигнала фотоэлектронного умножителя, записанного в Живарлэ. Экспериментальным путем выяснилось, что свет небольшой интенсивности не вызывает декогеренции, способной разрушить связи (квантовую корреляцию) между запутанными электронными центрами окраски, поскольку TLD-кристаллы, совместно облученные за несколько месяцев до описываемого эксперимента, генерировали интенсивный отклик. Этот эксперимент представляет собой практическое проявление феномена запутывания в квантовой механике:

- Две частицы называют запутанными, когда они испущены одновременно и обладают общей волновой функцией, например, фотоны, испущенные ядром или электроном, причем фотоны временно интерферируют между собой. Такие частицы являются квантово коррелированными, взаимосвязанными, так что взаимодействие с одной из них немедленно "чувствуется" запутанным партнером.

- Запутывание между двумя частицами (фотонами) может быть переключено на две другие частицы (электроны).

- Запутанные частицы, такие, как электроны, могут "сохраняться" в ионных или примесных ловушках (центрах окраски) и оставаться изолированными от влияния декогеренции со стороны окружения ловушек в течение значительных промежутков времени.

Центрами окраски являются примесные атомы и ионы (ловушки, дефекты), захватившие электрон или дырку, в результате чего изменяются полоса поглощения вещества и его окраска. Первоначально термин "центры окраски" относился только к так называемым F-центрам, обнаруженным впервые в 30-х гг. 20 в. в кристаллах галогенидов щелочных металлов и представляющих собой анионные вакансии, захватившие электрон. В дальнейшем под центрами окраски стали понимать любые точечные дефекты, поглощающие свет вне области собственного поглощения, - катионные и анионные вакансии, междоузельные ионы, а также примесные атомы и ионы, захватившие электрон и поэтому называющиеся электронными центрами окраски. Центры окраски обнаруживаются во многих неорганических кристаллах и стеклах, а также в природных минералах [6].

В рамках микроскопического подхода (теория Лоренца) для света существует поляризация электрически упругого смещения. В процессе вынужденных (под действием падающей световой волны) колебаний электронов с частотой вынуждающей силы, периодически изменяются дипольные электрические моменты атомов, частота которых тоже равна вынуждающей силе. Под действием этой силы (оптические, валентные) электроны атомов вещества совершают вынужденные гармонические колебания (осциллируют) с частотой падающей волны, излучая при этом вторичные волны (свет) с теми же параметрами [7].

На чертеже показана одна из возможных схем, иллюстрирующих принцип практической реализации предлагаемого способа связи.

На фиг. 1 показана передающая сторона, а на фиг. 2 - приемная сторона, имеющие вычислительные устройства (компьютеры), источники электропитания, кодеры и декодеры информации и ее отображения в удобном для пользователя виде (на чертеже не показаны). В передающую и приемную стороны входят: полупроводниковые лазеры 1, 2 небольшой мощности, различающиеся по частоте фотонов излучаемого ими света и установленные перед термолюминесцентными кристаллами 3, 4. Расположенные за кристаллами 3, 4 фотоприемники 5, 6, а также установленные между кристаллами 3, 4 и фотоприемниками 5, 6 светофильтры 7, 8. Стрелками 9, 10 показано направление распространения света, излучаемого лазерами 1, 2, а стрелками 11, 12 - вторичные волны. Для образования квантово-механически запутанных электронных центров окраски, кристаллы 3 и 4 предварительно, одновременно и совместно облучают квантово-механически запутанными рентгеновскими или гамма-квантами из соответствующих источников.

Пример принципа реализации предложенного способа связи

Лазер 2 приемной стороны (фиг. 2) излучает свет 10 в непрерывном режиме с какой-либо определенной частотой фотонов. Этот свет 10, поступая на кристалл 4, вызывает в нем поляризацию электрически упругого смещения электронов электронных центров окраски, квантово-механически запутанных с электронными центрами окраски кристалла 3. В процессе вынужденных (под действием падающей световой волны) колебаний электронов с частотой вынуждающей силы, периодически изменяются дипольные электрические моменты центров окраски, частота которых тоже равна частоте вынуждающей силы, излучающих вследствие этого вторичные волны (свет) 10 с теми же параметрами. Свет 10, выходя из кристалла 4, поступает на светофильтр 8, который не пропускает его к фотоприемнику 6. Тем самым от фотоприемника 6 какие-либо сигналы отсутствуют. Если лазер 1 передающей стороны (фиг. 1) излучит короткий световой 9 импульс, что соответствует передаваемому двоичному символу, например, "1", или более длинный световой 9 импульс, что соответствует, например, передаваемому двоичному символу "0", то под действием фотонов этого света 9 в кристалле 3 возникнет поляризация электрически упругого смещения электронов центров окраски. Поскольку частота фотонов света 9, излучаемого лазером 1, отличается от частоты фотонов света 10, излучаемого лазером 2, то возникнет разница между частотой колебаний дипольных электрических моментов запутанных электронных центров окраски в кристалле 3 и фотонов света 9, так же как возникнет разница между частотой колебаний дипольных электрических моментов запутанных электронных центров окраски в кристалле 4 и фотонов света 10. Это объясняется тем фактом, что запутанные между кристаллами 3 и 4 электронные центры окраски описываются единой волновой функцией, т.е. «жестко» коррелированы, скорости электрически упругого смещения принадлежащих им электронов, в силу законов квантовой механики, не могут быть независимыми друг от друга. Следовательно, излучаемые электронными центрами окраски в кристалле 3 вторичные волны 11 будут отличаться по частоте от фотонов света 9, а излучаемые электронными центрами окраски в кристалле 4 вторичные волны 12 будут отличаться по частоте от фотонов света 10, излучаемых лазерами 1 и 2. Вторичные волны 12, вместе со светом 10, выходят из кристалла 4, при этом свет 10 задерживается светофильтром 8, который не пропускает его к фотоприемнику 6, а вторичные волны 12, наоборот, свободно проходят через светофильтр 8 на фотоприемник 6, для последующего измерения длительности процесса их излучения, зависящей от длительности импульса света 9, в которой закодирован передаваемый двоичный символ "1" или "0".

Если передающую сторону (фиг. 1) и приемную сторону (фиг. 2) поменять местами, то логика изложенного выше принципа реализации предложенного способа связи не изменится.

Источники информации

[1] Einstein A., Podolsky В., Rosen N., «Сап Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?», Phys. Rev. 47, 777, 1935.

[2] Bell J.S., «Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics)), New York, Cambridge University Press, 1993.

[3] Aspect A., «Trois tests des de Bell par mesure de de polarisation de photons», Doctoral Dissertation, Paris-Orsay, 1er 1983.

[4] Jennewein Th., Weihs G., Jian-Wei Pan, Zeilinger A. Experimental Nonlocality Proof of Quantum Teleportation and Entanglement Swapping // Physical Review Letters, 2002, vol. 88; Bowen W.P., Lam P.K., Ralph T.C. Biased EPR Entanglement and Its Application to Teleportation // Journal of Modern Optics, 2002 \accepted\.

[5] (quant-ph/0611109). Intercontinental quantum liaisons between entangled electrons in ion traps of thermoluminescent crystals. Robert Desbrandes (Louisiana State University) and Daniel L. Van Gent (Oklahoma State University). Endorser: Professor Robert O'Connell (Louisiana State University).

[6] Академия наук СССР. Сибирское отделение институт геохимии им. академика А.П. Виноградова. А.И. Непомнящих, Е.А. Рлджэбов, А.В. Егранов. «Центры окраски и люминесценция кристаллов LiF». Ответственный редактор д-р физ.-мат. наук, проф. И.А. Нарфианович. Издательство «НАУКА», сибирское отделение, Новосибирск. 1984.

[7] Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики. М.Н. Либенсон, Е.Б. Яковлев, Г.Д. Шандыбина «Взаимодействие лазерного излучения с веществом». Санкт-Петербург, 2005.

Изобретение относится к способу связи с использованием квантовой запутанности. Технический результат, достигаемый от осуществления заявленного изобретения, заключается в расширении арсенала средств того же назначения, а именно состоит в передаче и приеме информации на расстояние на основе квантовой корреляции. Предложенный способ связи заключается в облучении на передающей и приемной стороне фотонами когерентного монохроматического света двух пространственно разделенных термолюминесцентных кристаллов, содержащих квантово-механически запутанные между ними электронные центры окраски. Обеспечивая разницу в частоте фотонов когерентного монохроматического света между передающей и приемной сторонами, задают отличие частоты вторичных волн, излучаемых квантово-механически запутанными электронными центрами окраски, от частоты фотонов когерентного монохроматического света на указанных сторонах, при этом вторичные волны из упомянутого света выделяют, а затем измеряют их длительность, согласно передаваемым двоичным символам «1» или «0». 2 ил.

Способ связи, включающий облучение на передающей и приемной стороне фотонами когерентного монохроматического света двух пространственно разделенных термолюминесцентных кристаллов, содержащих квантово-механически запутанные между ними электронные центры окраски, отличающийся тем, что на приемной стороне облучение когерентным монохроматическим светом осуществляют в непрерывном режиме, а на передающей - в импульсном, с длительностью каждого импульса, соответствующей двоичному символу "1" или "0", причем разницей в частоте фотонов когерентного монохроматического света между передающей и приемной сторонами задают отличие частоты вторичных волн, излучаемых квантово-механически запутанными электронными центрами окраски, от частоты фотонов когерентного монохроматического света на указанных сторонах, при этом на приемной стороне вторичные волны из упомянутого света выделяют, а затем, в зависимости от длительности упомянутых импульсов, согласно передаваемым двоичным символам "1" или "0", измеряют их длительность.