СПОСОБ СВЯЗИ Российский патент 2019 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.

Это задача решается тем, что в способе связи, включающем импульсное, в соответствии с двоичными символами "1" или «0», световое облучение на передающей стороне и непрерывное световое облучение на приемной стороне двух пространственно разделенных термолюминесцентных кристаллов, содержащих квантово-механически запутанные между ними электронные центры окраски, на приемной стороне из упомянутого светового облучения выделяют свет рассеиваемый квантово-механически запутанными электронными центрами окраски, а затем, в зависимости от длительности упомянутых импульсов, согласно передаваемым двоичным символам "1" или «0», измеряют его длительность.

Наиболее близким аналогом является способ связи [1], сущность которого 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. 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.

В данном способе, из-за разницы в частоте фотонов между передающей и приемной сторонами, используется выделение вторичных волн по отличию их частоты от частоты вышеупомянутых фотонов.

В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен написали статью [2], 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 [3], что эксперименты могли бы показать истинность предсказаний квантовой механики, что впоследствии и было неоднократно подтверждено экспериментами [4, 5].

Известен эксперимент [6] 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 [7].

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 [8].

На чертеже схематически представлено приемо-передающее устройство в основе работы которого лежит явление квантовой запутанности.

На фиг. 1 показана передающая сторона, а на фиг. 2 - приемная сторона. Передающая и приемная стороны снабжены вычислительными устройствами

- компьютерами, источниками электропитания, кодерами и декодерами информации, а также устройствами отображения последней в удобном для пользователя виде (на чертеже не показаны). Помимо этого, в передающую и приемную стороны входят источники 1-2 света небольшой мощности, которые установлены перед термолюминесцентными кристаллами 3-4 (кристаллы содержат квантово-механически запутанные между ними электронные центры окраски и могут быть изготовлены из легированного фторида лития). Рядом с кристаллом 4, перпендикулярно направлению распространения лучей света, излучаемого источником 2, расположен фотоприемник 5. Излучаемые источниками 1-2 лучи света показаны линиями 6-7, а рассеянный квантово-механически запутанными электронными центрами окраски свет линией 8.

Пример принципа реализации предложенного способа связи.

Источник 2 приемной стороны (фиг. 2) излучает свет 7 в непрерывном режиме. Этот свет 7 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 свет 7 с теми же параметрами, т.е., с той же частотой фотонов и в том же направлении. Тем самым от фотоприемника 5, расположенного перпендикулярно направлению распространения лучей света 7, какие-либо сигналы отсутствуют. Из-за несовершенства кристаллической структуры - наличия неоднородностей и примесей, незначительная часть лучей света 7 неизбежно рассеивается. Этот рассеянный свет необходимо рассматривать в качестве паразитного шума и, следовательно, его необходимо отфильтровать, что достигается соответствующей настройкой чувствительности фотоприемника 5. Если источник 1 передающей стороны (фиг. 1) излучит короткий световой 6 импульс, что соответствует передаваемому двоичному символу, например, "1", или более длинный световой 6 импульс, соответствующий передаваемому двоичному символу «0», то под действием этого света 6 в кристалле 3 возникает поляризация электрически упругого смещения электронов центров окраски. Поскольку запутанные между кристаллами 3 и 4 электронные центры окраски описываются единой волновой функцией, то и направления поляризации электрически упругого смещения электронов последних, в силу законов квантовой механики, не могут быть независимыми друг от друга. Поэтому направления излучаемого электронными центрами окраски в кристаллах 3-4 света будут отличаться, из-за инвариантности относительно поворотов системы координат, от направления лучей света 6-7 излучаемых источниками 1-2. Другими словами, на время (которое и определяет каким будет двоичный символ - "1" или «0») прохождения лучей света 6 по кристаллу 3 интенсивность рассеиваемого кристаллом 4 света 8 повысится. Рассеянный таким образом свет 8 попадает из кристалла 4 на фотоприемник 5 (фиг. 2), реагирующий на него, из-за более высокой его интенсивности по сравнению с паразитным шумом, как на полезный сигнал, длительность которого в точности равна длительности рассеивания квантово-механически запутанными электронными центрами окраски в кристалле 4 этого света 8, а значит и в точности равна длительности прохождения лучей света 6 по кристаллу 3 т.е., согласно передаваемому двоичному символу "1" или «0».

Источники информации

[1] Патент RU 2650344. МПК Н04 В10/70 (2013.01).

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

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

[4] 1983. Aspect A., «Trois tests experimentaux des inegalites de Bell par mesure de correlation de polarisation de photons», Doctoral Dissertation, universite Paris-Orsay, 1er fevrier 1983.

[5] 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\.

[6] (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).

[7] 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.

[8] 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 состоит в расширении арсенала средств того же назначения, а именно в передаче и приеме информации на расстояние на основе квантовой корреляции. Для этого предложенный способ связи включает импульсное, в соответствии с двоичными символами "1" или "0", световое облучение на передающей стороне и непрерывное световое облучение на приемной стороне двух пространственно разделенных термолюминесцентных кристаллов, содержащих квантово-механически запутанные между ними электронные центры окраски. На приемной стороне из упомянутого светового облучения выделяют свет, рассеиваемый квантово-механически запутанными электронными центрами окраски, а затем, в зависимости от длительности упомянутых импульсов, согласно передаваемым двоичным символам "1" или "0", измеряют его длительность. 2 ил.

Способ связи, включающий импульсное, в соответствии с двоичными символами "1" или "0", световое облучение на передающей стороне и непрерывное световое облучение на приемной стороне двух пространственно разделенных термолюминесцентных кристаллов, содержащих квантово-механически запутанные между ними электронные центры окраски, с возможностью измерения на приемной стороне длительности света, выделяемого из упомянутого светового облучения согласно передаваемым двоичным символам "1" или "0", отличающийся тем, что на приемной стороне измеряют длительность рассеивания квантово-механически запутанными электронными центрами окраски света.