Передача информации быстрее скорости света. Построение систем дальней связи
В современном мире системы связи играют важную роль в развитие нашего мира. Каналы передачи информации буквально опутывают нашу планету, связывая различные информационные сети в единую глобальную сеть Интернет. Дивный мир современных технологий включает в себя передовые открытия науки и техники, не редко связанные также с удивительными возможностями квантового мира. Можно с уверенностью сказать, что на сегодняшний день квантовые технологии прочно вошли в нашу жизнь. Любая мобильная техника в наших карманах оснащена микросхемой памяти, работающая с использованием квантового туннелирования заряда. Подобное техническое решение позволило инженерами компании Toshiba построить 1984 году транзистор с плавающим затвором, ставшим основой для построения современных микросхем памяти. Мы каждый день пользуемся подобными устройствами, не задумываясь, на чем основана их работа. И пока физики ломают голову пытаясь объяснить парадоксы квантовой механики, технологическое развитие берет на вооружение удивительные возможности квантового мира.
В данной статье мы рассмотрим интерференцию света, и разберем способы построения канала связи для мгновенной передачи информации с применением квантовых технологий. Хотя многие полагают, что невозможно передавать информацию быстрее скорости света, при правильном подходе даже такая задача становится решаемой. Думаю, вы сами сможете в этом убедиться.
Введение
Логично предположить, что фотоны должны проходить сквозь щели, создавая две параллельные полосы света на заднем экране. Но вместо этого на экране образуется множество полос, в которых чередуются участки света и темноты. Дело в том, что когда свет ведет себя как волна, каждая прорезь является источником вторичных волн. В местах, где вторичные волны достигают экран в одной фазе, их амплитуды складываются, что создает максимум яркости. А там, где волны оказываются в противофазе — их амплитуды компенсируются, что создает минимум яркости. Периодическое изменение яркости при наложении вторичных волн создает на экране интерференционные полосы.
Но почему же свет ведет себя как волна? В начале, ученые предположили, что возможно фотоны сталкиваются между собой и решили выпускать их поодиночке. В течение часа на экране вновь образовалась интерференционная картина. Попытки объяснить данное явление привели к предположению, что фотон разделяется, проходит через обе щели, и сталкиваясь сам собой образует интерференционную картину на экране.
Любопытство ученых не давало покоя. Они хотели знать, через какую щель фотон проходит по настоящему, и решили пронаблюдать. Для раскрытия этой тайны перед каждой щелью поставили детекторы, фиксирующей прохождение фотона. В ходе эксперимента выяснилось, что фотон проходит только через одну щель, либо через первую, либо через вторую. В результате на экране образовались две параллельные полосы света, без единого намека на интерференцию. Наблюдение за фотонами разрушило волновую функцию света, и фотоны начали вести себя как частицы! Пока фотоны находятся в квантовой неопределенности, они распространяются как волны. Но когда за ними наблюдают, фотоны теряют волновую функцию и начинают вести себя как частицы.
Далее опыт повторили еще раз, с включенными детекторами, но без записи данных о траектории движения фотонов. Несмотря на то, что опыт полностью повторяет предыдущий, за исключением возможности получения информации, через некоторое время на экране вновь образовалась интерференционная картина из светлых и темных полос.
Получается, что влияние оказывает не любое наблюдение, а только такое, при котором можно получить информацию о траектории движения фотонов. И это подтверждает следующий эксперимент, когда траектория движения фотонов отслеживается не с помощью детекторов установленных перед каждой щелью, а с помощью дополнительных ловушек, по которым можно восстановить траекторию движения не оказывая взаимодействия к исходным фотонам.
Квантовый ластик
Начнем с самой простой схемы (это именно схематичное изображение эксперимента, а не реальная схема установки).
Отправим лазерный луч на полупрозрачное зеркало (ПП). Обычно такое зеркало отражает половину падающего на него света, а другая половина проходит насквозь. Но фотоны, будучи в состоянии квантовой неопределенности, попадая на полупрозрачное зеркало, выбирают оба направления одновременно. Затем, каждый луч отражаясь зеркалами (1) и (2) попадает на экран, где наблюдаем интерференционные полосы. Все просто и ясно: фотоны ведут себя как волны.
Теперь попытаемся понять, по какому же именно пути прошли фотоны – по верхнему или по нижнему. Для этого на каждом пути поставим даун–конверторы (ДК). Даун–конвертор – это прибор, который при попадании в него одного фотона рождает 2 фотона на выходе (каждая с половиной энергии), один из которых попадает на экран (сигнальный фотон), а второй попадает в детектор (3) или (4) (холостой фотон). Получив данные с детекторов мы будем знать, по какому пути прошел каждый фотон. В этом случае интерференционная картина исчезает, ведь мы узнали, где именно прошли фотоны, а значит, разрушили квантовую неопределенность.
Далее мы немного усложним эксперимент. Поставим на пути каждого «холостого» фотона отражающие зеркала и направим их на второе полупрозрачное зеркало (слева от источника на схеме). Прохождение второго полупрозрачного зеркала стирает информацию о траектории холостых фотонов и восстанавливает интерференцию (согласно схеме интерферометра Маха Цендера). Не зависимо от того, какой из детекторов сработает, мы не сможем узнать по какому пути прошли фотоны. Этой замысловатой схемой мы стираем информацию о выборе пути и восстанавливаем квантовую неопределенность. В результате на экране будет отображаться интерференционная картина.
Если мы решим выдвинуть зеркала, то «холостые» фотоны вновь попадут на детекторы (3) и (4), и как мы знаем, на экране интерференционная картина исчезнет. Это означает, что меняя положение зеркал, мы можем менять отображаемую картину на экране. Значит, можно воспользоваться этим для кодирования двоичной информации.
Можно немного упростить эксперимент и получить тот же результат, двигая полупрозрачное зеркало на пути «холостых» фотонов:
Основной результат эксперимента заключается в том, что не имеет значения, был процесс стирания выполнен до или после того, как фотоны достигли экрана детектора.
Подобный опыт также описывается в книге Брайана Грина «Ткань космоса и пространство». Это кажется невероятным, меняющим причинно-следственные связи. Попробуем разобраться что к чему.
Немного теории
Если посмотрим специальную теорию относительности Эйнштейна по мере увеличения скорости происходит замедление времени, согласно формуле:
где r – длительность времени, v – относительная скорость движения объекта.
Скорость света является предельной величиной, поэтому для самих частиц света (фотонов) время замедляется до нуля. Правильнее сказать для фотонов не существует времени, для них существует только текущий момент, в котором они пребывают в любой точке своей траектории. Это может казаться странным, ведь мы привыкли полагать, что свет от далеких звезд достигает нас спустя миллионы лет. Но с ИСО частиц света, фотоны достигают наблюдателя в тот же момент времени, как только они излучаются далекими звездами.
Дело в том, что настоящее время для неподвижных объектов и движущихся объектов может не совпадать. Чтобы представить время, необходимо рассмотреть пространство-время в виде непрерывного блока растянутого во времени. Срезы, формирующие блок, являются моментами настоящего времени для наблюдателя. Каждый срез представляет пространство в один момент времени с его точки зрения. Этот момент включает в себя все точки пространства и все события во вселенной, которые представляются для наблюдателя как происходящее одновременно.
Чем больше скорость движения, тем больше угол среза. При скорости света срез настоящего времени имеет максимальный угол смещения 45°, при котором время останавливается и фотоны пребывают в одном моменте времени в любой точке своей траектории.
Возникает резонный вопрос, каким образом фотон может одновременно находится в разных точках пространства? Попробуем разобраться, что же происходит с пространством на скорости света. Как известно, по мере увеличения скорости наблюдается эффект релятивистского сокращения длины, согласно формуле:
где l – это длина, а v – относительная скорость движения объекта.
Не трудно заметить, что на скорости света любая длина в пространстве будет сжато до нулевого размера. Значит, по направлению движения фотонов, пространство сжимается в маленькую точку планковских размеров, при котором исчезает само понятие о пространстве-времени. Можно сказать для фотонов не существует пространства, так как вся их траектория в пространстве с ИСО фотонов находится в одной точке.
Итак, теперь мы знаем, что не зависимо от пройденного расстояния сигнальные и холостые фотоны одновременно достигают экрана и детекторов, так как с точки зрения фотонов не существует ни времени ни пространства. Учитывая квантовую сцепленность сигнальных и холостых фотонов, любое воздействие на один фотон будет моментально отражается на состоянии его партнера. Соответственно, картина на экране всегда должна соответствовать тому, определяем ли мы траекторию фотонов, либо стираем эту информацию. Это дает потенциальную возможность моментальной передачи информации. Стоит только учесть, что наблюдатель не движется со скоростью света, и поэтому картину на экране необходимо анализировать после того, как холостые фотоны достигнут детекторов.
Практическая реализация
Оставим теорию теоретикам и вернемся к практической части нашего эксперимента. Чтобы получить картину на экране потребуется включить источник света и направить поток фотонов на экран. Кодирование информации будет происходить на удаленном объекте, движением полупрозрачного зеркала на пути холостых фотонов. Предполагается, что передающее устройство будет кодировать информацию с равными интервалами времени, например, передавать каждый бит данных за сотую долю секунды.
В качестве экрана можно использовать чувствительную цифровую матрицу, чтобы напрямую записывать чередующиеся изменения. Затем записанную информацию необходимо отложить до момента, пока холостые фотоны достигнут своего местоназначения. После этого можно начать поочередно анализировать записанную информацию, чтобы получить передаваемую информацию. Для примера, если кодирующее устройство находится на Марсе, то анализ информации необходимо начинать с опозданием на десять-двадцать минут (ровно на столько, сколько требуется свету, чтобы достичь красную планету). Несмотря на то, что анализ информации производится с отставанием в десятки минут, полученная информация будет соответствовать тому, что передается с Марса в текущий момент времени. Соответственно, вместе с приемным устройством придется устанавливать лазерный дальномер, чтобы точно определить интервал времени, с которого нужно начинать анализировать передаваемую информацию.
Необходимо также учесть, что окружающая среда оказывает негативное влияние на передаваемую информацию. При прохождении фотонов через воздушное пространство происходит процесс декогеренции, увеличивая помеху в передаваемом сигнале. Чтобы максимально исключить влияние окружающей среды можно передавать сигналы в безвоздушном космическом пространстве, используя для этого спутники связи.
Организовав двухстороннюю связь, в перспективе можно построить каналы связи для моментальной передачи информации на любую дальность, до которых смогут добраться наши космические аппараты. Такие каналы связи будут просто необходимы, если потребуется оперативный доступ к сети интернет за пределами нашей планеты.
Источник
Какими средствами связи пользовалось человечество?
Потребность в получении известий из других стран и местностей восходит своими корнями к глубокой древности. Так, например, для передачи информации в глубокой древности использовались такие примитивные виды связи, как передача звуковых и лучевых сигнальных сообщений: бой в барабаны, использование костров, дыма, солнечного света. Существовали и другие способы передачи информации: голубиная почта, пешая, конная, караванная эстафета.
Потребность в получении известий из других стран и местностей восходит своими корнями к глубокой древности. Так, например, для передачи информации в глубокой древности использовались такие примитивные виды связи, как передача звуковых и лучевых сигнальных сообщений: бой в барабаны, использование костров, дыма, солнечного света. Существовали и другие способов передачи информации: голубиная почта, пешая, конная, караванная эстафета.
Бой барабанов и спользование костров
Первые упоминания о целенаправленной передаче информации посредством символических и письменных знаков изложены в трудах Аристотеля, описавшего передачу посланий вдоль «великого тракта» впоследствии назывного «Великий шелковый путь»). Доставка почтовой корреспонденции осуществлялась различными способами:
-В Персидской монархии были учреждены ангары со своим штатом, в Греции имелись специальные пешие посланцы, в Римской республике для правительственных и частных целей использовались специальные гонцы «курсоры и табеларии», которые разносили глиняные таблички с нанесённым на них восковым покрытием, на котором были начертаны символы и письмена.
-При арабском халифате в данном регионе существовали ведомства, прототипы почтовых контор, под руководством «сахиб берида» – руководителя почты. При халифатах, саманидах, абосидах сложилась целая система ведомств «диванов» по управлению государством. Одним из таких управлений был «диван-берид». В его подчинении в отдельных городах находились почтовые чиновники, штат гонцов, большое количество лошадей и повозок, которые занимались доставкой корреспонденции непосредственно адресату. Почтовые чиновники не подчинялись местным властям «хокимам», а целиком зависели от своего центрального управления.
-По иному была организована передача сообщений в период монголо-татарского нашествия. Тогда организация связи представляла собой систему почтовых стоянок – ямов, вдоль основных дорог. Ямы (роваты) располагались на расстоянии 15-20 км друг от друга, в пределах дневного конного перехода, охранялись специальными войсками. Состоящие на службе гонцы «ямчи» снабжались ханскими ярлыками «пайцзы» – это серебренная или бронзовая, в зависимости от ранга, табличка размером приблизительно 3 на 6 сантиметров, с указанием на ней данных владельца. Предъявление «пайцзы» давало возможность беспрепятственного перемещения по дорогам, прохождения ханских застав, получения пропитания, ночлега и замены необходимого количества лошадей в «ямах». Повинность по содержанию «ямов» и его служащих возлагалась на близлежащее население и называлась «ямской приказ». В отличие от системы связи, организованной при арабском халифате, монгольская система связи имела эстафетный принцип действия – от «яма к яму», и поэтому была более эффективной.
Почтовые голуби
Не стоит забывать и о голубях. Тогда они были едва ли не единственным средством связи. Еще с древних времен они таинственным образом находили адресата и возвращались домой. Голуби стали участниками многих исторических событий, перенося почту во время войн. Хороший почтовый голубь может развить скорость до 70 км в час, также по ним трудно попасть из огнестрельного оружия и нелегко поймать. Поэтому голуби были отличным средством для передачи информации. До сих пор ученым так и не удалось найти разгадку хорошей способности к ориентации у голубей. Было проведено множество экспериментов, но никакие изменения условий и влияний на птицу не смогли остановить ее на верном пути к дому. В какое-то время наибольшее признание получила версия, что голуби ориентируются по солнцу.
Некоторые ученые утверждали, что птицы используют силу магнитного поля Земли, при помощи которой они определяют свое местоположение по отношению к дому. Возможно они также используют свое обоняние, создают своего рода «карту запахов» тех областей, над которыми пролетают, а затем используют их для навигации. Кроме природных данных, почтовых голубей нужно тренировать с самого раннего возраста, чтобы птицы могли преодолевать большие расстояния. Таким образом, почтовые голуби могут совершать тысячекилометровые перелеты.
Телеграф
В XVII и XVIII веках, когда получили заметное развитие наука, техника и промышленность, стали прокладываться новые торговые пути и завязываться тесные политические и экономические взаимоотношения между народами, появляется острая потребность в создании более совершенных и быстродействующих средств связи. Вполне понятно поэтому, что первые проекты сооружения новых сигнальных установок зародились, прежде всего, в таких странах, как Англия и Франция, значительно дальше продвинувшихся в своем развитии. Особую известность среди первых изобретателей специальной сигнальной аппаратуры приобрел английский ученый Роберт Гук, которого часто называют основателем оптической телеграфии.
Его аппарат состоял из деревянной рамы, один угол которой обшивался досками и служил загородкой. За загородкой скрывались предметы особой формы, обозначавшие различные буквы или фразы. При передаче сообщений каждый такой предмет выдвигался в пустой угол рамы и мог быть видимым на другой станции. Для чтения сигналов Гук предложил использовать незадолго до этого изобретенные зрительные трубы, ставшие затем неотъемлемой частью всех сигнальных устройств.
Телефон
Изобретение телефона принадлежит 29 — летнему шотландцу, Александру Грехем Беллу. Пробы передачи звуковой информации посредством электро энергии предпринимались начиная с середины XIX столетия. Чуть ли не первым в 1849 — 1854 гг. Разрабатывал идею телефонирования механик парижского телеграфа Шарль Бурсель. Но в действующее устройство свою идею он не воплотил. Белл с 1873 года пробовал сконструировать гармонический телеграф, добиваясь способности передавать по одному проводу сразу семь телеграмм (по числу нот в октаве).
Он употреблял семь пар гибких металлических пластинок, схожих камертону, при этом любая пара настраивалась на свою частоту. Во время опытов 2 июня 1875 года свободный конец одной из пластинок на передающей стороне полосы приварился к контакту. Ассистент Белла механик Томас Ватсон, неудачно пытаясь устранить неисправность, чертыхался, может быть, даже используя не совершенно нормативную лексику. Находящийся в другой комнате и манипулировавший приемными пластинками Белл своим чутким натренированным ухом поймал звук, дошедший по проводу. Самопроизвольно закрепленная на обоих концах пластинка превратилась в гибкую своеобразную мембрану и, находясь над полюсом магнита, изменяла его магнитный сгусток. Вследствие этого поступавший в линию электрический ток изменялся соответственно колебаниям воздуха, вызванным бормотанием Ватсона. Это был момент зарождения телефона. Устройство называлось «трубкой Белла». её следовало прикладывать попеременно то ко рту, то к уху или воспользоваться двумя трубками сразу.
Радио
Произошло историческое событие, которое по достоинству было оценено только спустя несколько лет. На заседании физического отделения российского физико-химического общества (РФХО) выступил преподаватель Минного офицерского класса Александр Степанович Попов с докладом «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям». Во время доклада А.С. Попов демонстрировал работу созданного им устройства, предназначенного для приёма и регистрации электромагнитных волн. Это был первый в мире радиоприемник. Он чутко реагировал электрическим звонком на посылки электромагнитных колебаний, которые генерировались вибратором Герца. Схема первого приёмника принадлежала А. С. Попову. Вот что писала газета «Кронштадский вестник» от 30 апреля (12 мая) 1895 г.
По этому поводу: Уважаемый преподаватель А. С. Попов . комбинировал особенный переносной устройство, отвечающий на электрические колебания обыкновенным электрическим звонком и чувствительный к герцевским волнам на открытом воздухе на расстоянии до 30 сажень. Изобретение радио Поповым было закономерным итогом его целеустремлённых исследований электромагнитных колебаний. В 1894 г. В собственных опытах А. С. Попов начал употреблять в качестве индикатора электромагнитных излучений когерер французского учёного Э. Бранли (стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками), в первый раз применённый для этих целей английским исследователем О. Лоджем. Александр Степанович упорно работал над повышением чувствительности когерера к лучам Герца и восстановлением его способности регистрировать на новейшие импульсы электромагнитного излучения после действия предшествующей электромагнитной посылки.
В итоге Попов пришел к уникальной конструкции устройства для приёма электромагнитных колебаний, тем самым сделав решающий шаг к созданию системы для передачи и приема сигналов на расстоянии.
Источник
