Двусторонняя связь возможна с одной квантовой частицей

Общение — улица с двусторонним движением. Благодаря квантовой механике эта поговорка оказывается верной, даже если у вас есть только одна частица для передачи сообщений.

Используя один фотон или частицу света, два человека могут одновременно отправлять информацию друг другу, сообщают ученые в новом исследовании. Идея опирается на причуду квантовой механики — суперпозицию, явление, посредством которого частицы могут эффективно занимать сразу два состояния.

Передача информации с помощью квантовых частиц является популярным предметом исследования, благодаря обещанию абсолютно безопасной квантовой коммуникации. В новых исследованиях указывается ранее неопознанное свойство этой техники связи. «Иногда вы упускаете из виду некоторую идею, которая буквально висит прямо перед вашим носом», — говорит экспериментальный физик из Университета в Вене Филипп Вальтер.

Теоретические физики Флавио Дель Санто из Венского университета и Боривое Дакич из Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук описывают теорию, лежащую в основе процедуры, в публикациях «Physical Review Letters» от 9 февраля. Вальтер, Дель Санто, Дакич и его коллеги проводят демонстрацию техники в статье, опубликованной на arXiv.org 14 февраля.

Представьте себе, что двое людей, Алиса и Боб, находятся на некотором расстоянии друг от друга. В стандартной классической физике Алисе и Бобу потребуется, чтобы каждый посылал свой фотон друг другу для сообщения одновременно, причем каждая частица передавала один бит 0 или 1.

Но если у Алисы и Боба есть фотон, который находится в суперпозиции, одновременно расположенный рядом с Алисой и рядом с Бобом, оба из них могут манипулировать этим фотоном для кодирования 0 или 1, а затем отправить его другому. Как каждый манипулирует фотоном, определяет в итоге, какой из двух человек принимает фотон в конце. Если Алиса и Боб поставят один и тот же бит — оба 0 или оба 1 — Алиса получит фотон. Если их биты не совпадают, Боб получает его. Поскольку Алиса знает, отправила ли она 0 или 1, она сразу же узнает, закодировал ли Боб 0 или 1, и наоборот.

Чтобы показать, что такое общение возможно, Вальтер и его коллеги отправили одиночные фотоны через расположение зеркал в оптическом устройстве. Настройка поставила фотон в суперпозицию, отправив ее одновременно на две станции, которые представляли Алису и Боба.

Изменяя фазу электромагнитной волны света, исследователи закодировали фотон с 0 или 1 на каждой станции. Затем на каждой станции фотон, все еще находящийся в подвешенном состоянии между Алисой и Бобом, был отправлен на противоположную станцию. По пути фотон взаимодействовал с собой, интерферируя как водная рябь, объединяющаяся, чтобы усилиться или уравновеситься. Это вмешательство определяло, был ли обнаружен последний фотон на станции Алисы или Боба.

«Это очень хорошая идея, — говорит физик Джулио Чирибелла из Оксфордского университета, который не участвовал в исследовании. «Это еще один способ, которым квантовая механика позволит отправлять безопасные сообщения».

Больше информации:
F. Massa et al. Experimental two-way communication with one photon. arXiv:1802.05102. Posted February 14.
F. Del Santo and B. Dakić. Two-way communication with a single quantum particle. Physical Review Letters. Vol. 120, February 9, 2018, p. 060503. doi: 10.1103/PhysRevLett.120.060503.