Una din cele mai neobişnuite forme ale comunicării cuantice o reprezintă transferul informaţiei cuantice în lipsa unor particule care să se deplaseze între două locaţii.

Fizicienii teoretici au sugerat ca o astfel de comunicare cuantică este posibilă, dar abia în anul 2017 cercetătorii au reușit, pentru prima dată, să o realizeze experimental, transferând o imagine bitmap alb-negru dintr-o locație în alta fără să trimită particule fizice între acestea.

Lumea cuantică este caracterizată de o serie de fenomene stranii care nu pot fi explicate cu ajutorul fizicii clasice.

Comunicarea cuantică obişnuită sau teleportarea cuantică se bazează pe principiul inseparabilităţii cuantice în care particulele elementare se corelează reciproc şi interacţionează într-un mod previzibil între ele, indiferent cât de departe se află unele faţă de altele.

Chiar dacă sunt separate în spaţiu, două particule aflate într-o stare de inseparabilitate cuantică păstrează între ele o conexiune fundamentală prin care la orice acțiune efectuată asupra unei particule cealaltă particulă pereche răspunde practic instantaneu.

Albert Einstein a denumit fenomenul de inseparabilitate cuantică drept o „acțiune înfricoşătoare la distanță”, iar pe baza acestui fenomen neobişnuit oamenii de ştiinţă au reuşit să transmită informaţii pe distanţe mari.

Această formă de teleportare cuantică se bazează pe transmiterea unor particule, sub o formă sau alta, între două locaţii.

Cele două particule între care se stabileşte comunicarea cuantică prin intermediul inseparabilităţii cuantice trebuie să se afle iniţial în apropiere una de alta sau la o anumită distanţă, dar în acest caz este necesar ca o altă particulă, cum ar fi fotonul (particula de lumină), să se deplaseze între cele două particule.

Comunicarea cuantică directă nu se bazează pe inseparabilitatea cuantică, ci pe un fenomen denumit efectul Zeno cuantic care se produce atunci când se măsoară, în mod repetat, un sistem cuantic instabil.

În lumea cuantică starea unui sistem cuantic se schimbă de fiecare dată când îl privim sau îl măsurăm. În acest caz, particulele instabile nu se vor dezintegra niciodată în timp ce sunt măsurate, precum “ceainicul cuantic” care nu va fierbe niciodată dacă este privit, ceea ce înseamnă că efectul cuantic Zeno creează un sistem care este efectiv “înghețat” cu o probabilitate foarte mare.

Pentru mai multe explicaţii puteți urmări clipul video de mai jos.

Comunicarea cuantică directă se bazează pe efectul cuantic Zeno și este definită ca transferul unei stări cuantice dintr-un loc în altul fără ca o particulă cuantică sau clasică să fie transmisă între cele două locaţii.

Pentru aceasta este necesar un canal cuantic între cele două locaţii, ceea ce înseamnă că va exista întotdeauna o mică probabilitate ca o particulă cuantică să treacă prin acest canal.

Pentru a crea un sistem cuantic atât de complex, cercetătorii de la University of Science and Technology din China au utilizat doi detectori de fotoni la ieșirea unor separatoare de fascicule.

Ca urmare a efectului cuantic Zeno, sistemul este “înghețat” într-o anumită stare, ceea ce înseamnă că este posibil să se prevadă care dintre detectori va surprinde trecerea unui foton. În acelaşi timp mai multe interferometre în serie au măsurat starea sistemului pentru a verifica că aceasta nu s-a schimbat în timpul experimentului.

Funcţionarea acestui sistem cuantic se bazează pe faptul că în lumea cuantică fotonii pot fi descrişi pe deplin prin funcții de undă şi nu ca particule. Astfel cercetătorii au putut transmite mesaje prin intermediul luminii fără a trimite efectiv particule între două locaţii.

Oamenii de ştiinţă au explicat că la baza funcţionarii acestui sistem cuantic se află un concept ce provine din tehnologia holografiei.

„În anii 1940 a fost dezvoltată holografia pentru a înregistra nu numai intensitatea luminii, ci și faza luminii.

În consecinţă, ne putem întreba: Faza luminii poate fi folosită pentru imagistică? Răspunsul este da”, au afirmat cercetătorii în revista Proceedings of the Naţional Academy of Sciences.

Ideea este următoarea: să presupunem că Bob dorește să trimită o imagine către Alice folosind doar lumina, care în domeniul cuantic acționează ca o undă şi nu ca o particulă.

Comunicarea cuantică directă

Montajul experimental. Credit: Yuan CaoYu-Huai LiZhu Cao

Alice transferă un singur foton către un interferometru în serie care poate fi detectat de trei detectori D0, D 1și Df.

Dacă detectorii D 0sau D 1semnalează prezenţa fotonului, atunci Alice poate obţine rezultatul logic 1 sau 0. Dacă detectorul D semnalează prezenţa fotonului atunci rezultatul este considerat neconcludent.

„După transferul tuturor biților, cercetătorii au reușit să refacă o imagine bitmap monocromă a unui nod chinezesc. Pixelii negri au fost definiți prin valoarea binară 0, în timp ce pixelii albi au fost definiți prin valoarea binară 1.

Imaginea transmisă prin comunicare cuantica directa

Imaginea transmisă prin comunicare cuantica directa. Credit: Yuan CaoYu-Huai LiZhu Cao

Faza luminii a devenit în experiment purtătorul de informații, iar intensitatea luminii a fost irelevantă în acest experiment “, a explicat Christopher Packham pentru Phys.org.

Această realizare a cercetătorilor reprezintă un important pas înainte în ceea ce privește comunicarea cuantică şi este o nouă demonstrație privind cât de bizară și de neexplorată este lumea cuantică.

Cercetarea a fost publicată în revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Sursă: Science Alert