Приемопередающее устройство квантовой связи

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к устройствам передачи информации, а именно к устройствам, использующим для передачи явление квантовой запутанности.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известны оптические системы связи, имеющие приемопередающее устройство (ППУ) на передающей стороне, содержащее лазер и модулятор, и ППУ на приемной стороне, содержащее фото детектор и демодулятор [1, 2]. Приемная и передающая стороны при этом могут быть связаны как оптоволоконным кабелем, так и пространством, свободным от препятствий для света.
Недостатком ППУ, используемых в таких системах связи, является наличие задержки при организации связи, вызванной конечной скоростью распространения света.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является ППУ нелокальной квантовой связи, представленное в патенте [3]. Как следует из схемы на фиг. 2 описания данного патента, в состав ППУ нелокальной квантовой связи входит источник света небольшой мощности, который установлен перед термолюминесцентным кристаллом (кристаллы передающей и приемной стороны содержат квантово-механически запутанные между ними электронные центры окраски и могут быть изготовлены из легированного фторида лития). На приемной стороне рядом с кристаллом, перпендикулярно направлению распространения лучей света, излучаемого источником, расположен фотоприемник.
Недостатком упомянутого ППУ нелокальной квантовой связи является относительно низкое качество связи, обусловленное наличием паразитных шумов, создаваемых остаточным лучом света.
Раскрытие полезной модели
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в создании ППУ нелокальной квантовой связи, обеспечивающей повышенное качество связи.
Требуемый технический результат заключается в повышении качества связи за счет устранения паразитных шумов, создаваемых остаточным лучом света.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в ППУ нелокальной квантовой связи, содержащее источник света, установленный перед термолюминесцентным кристаллом, фотоприемник, который расположен рядом с термолюминесцентным кристаллом перпендикулярно распространению луча света, излучаемого источником света, согласно полезной модели, что в него дополнительно введены модулятор, демодулятор и заглушающая свет преграда, при этом остаточный луч света, прошедший через термолюминесцентный кристалл и являющийся продолжением луча света от источника света, сориентирован на заглушающую свет преграду, вход ППУ нелокальной квантовой связи через модулятор соединен со входом источника света, выход фотоприемника через демодулятор соединен с выходом ППУ нелокальной квантовой связи.
Предлагаемое ППУ нелокальной квантовой связи может быть использовано для осуществления связи между абонентами в полудуплексном режиме, описанном в многочисленных источниках, например, в [4]. При этом предлагаемое ППУ нелокальной квантовой связи может быть использовано и для передачи, и для приема информации.
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемого ППУ нелокальной квантовой связи поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - структурная схема системы связи, включающей ППУ нелокальной квантовой связи двух приемопередающих станций, и компьютеры, служащие в качестве источников и получателей информации;
на фиг. 2 - последовательность операций (блок-схема алгоритма) развертывания системы нелокальной квантовой связи;
на фиг. 3 - последовательность операций (блок-схема алгоритма) передачи информации при осуществления нелокальной квантовой связи с использованием предлагаемых ППУ нелокальной квантовой связи.
Осуществление полезной модели
Теоретические предпосылки. В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен написали статью [5], в которой поставили под сомнение истинность концепции запутывания, следующей из теории квантовой механики, и предположили существование "скрытых переменных" для объяснения запутывания. В 1962 г. Дж.С. Белл математически показал [5], что эксперименты могли бы показать истинность предсказаний квантовой механики, что впоследствии и было неоднократно подтверждено экспериментами [7-9].
Известен эксперимент [10] 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. Отметим, что в [10] также упоминалось о возможности использования для той же цели облучения гамма-квантами.
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 [11].
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 [12].
Описание ППУ нелокальной квантовой связи. Чтобы понять структуру, принцип действия, а также роль и место предлагаемого ППУ нелокальной квантовой связи при организации нелокальной квантовой связи, необходимо рассмотреть состав и принцип действия всей системы нелокальной квантовой связи.
На чертеже (фиг. 1) представлена структурная схема системы нелокальной квантовой связи, в основе работы которой лежит использование явления квантовой запутанности и в состав которой входят 2 идентичных станции нелокальной квантовой связи, включающие предлагаемые идентичные ППУ нелокальной квантовой связи 112 и 212, между которыми осуществляется нелокальная квантовая связь, показанная на чертеже пунктирной линией. Упомянутые первая и вторая приемопередающие станции нелокальной квантовой связи включают также соответственно компьютеры 1 и 2, выступающие в роли источников и получателей информации.
Всего первая приемопередающая станция 1 нелокальной квантовой связи содержит
первый компьютер 1, выступающий в роли первого источника и получателя информации,
первый модулятор 110,
первый демодулятор 109
и первый оптический блок 101,
в состав которого входят первый источник 103 света, первый фотодетектор 104, первая заглушающая свет преграда 105, приспособленная для поглощения лишнего света, и первое ядро 102 нелокальной квантовой связи, выполненное в виде термолюминесцентного кристалла,
при этом выход первого компьютера 1 через первый модулятор 110 и вход первого оптического блока 101 соединен со входом первого лазера 103, выход первого фотодетектора 104 через выход первого оптического блока 101 соединен со входом первого компьютера 1,
первый луч 106 света, излучаемый первым источником 103 света, сориентирован на первое ядро 102 нелокальной квантовой связи, первая заглушающая свет преграда 105 сориентирована для приема остаточного луча 107 света, прошедшего через первое ядро 102 нелокальной квантовой связи, а первый фотодетектор 104 сориентирован для приема света 108, рассеиваемого первым ядром 102 нелокальной квантовой связи.
Вторая приемопередающая станция 2 нелокальной квантовой связи содержит
второй компьютер 2, выступающий в роли второго источника и получателя информации,
второй модулятор 210,
второй демодулятор 209
и второй оптический блок 201,
в состав которого входят второй источник 203 света, второй фото детектор 204, вторая заглушающая свет преграда 205, приспособленная для поглощения лишнего света, и второе ядро 202 нелокальной квантовой связи, выполненное в виде термолюминесцентного кристалла,
при этом выход второго компьютера 2 через второй модулятор 210 и вход второго оптического блока 201 соединен со входом второго лазера 203, выход второго фотодетектора 204 через выход второго оптического блока 201 соединен со входом второго компьютера 2;
второй луч 206 света, излучаемый вторым лазером 203, сориентирован на второе ядро 202 нелокальной квантовой связи, вторая заглушающая свет преграда 205 сориентирована для приема остаточного луча 207 света, прошедшего через второе ядро 202 нелокальной квантовой связи, а второй фотодетектор 204 сориентирован для приема света 208, рассеиваемого вторым ядром 202 нелокальной квантовой связи.
Главными элементами системы нелокальной квантовой связи можно назвать первое ядро 102 нелокальной квантовой связи первого ППУ 112 нелокальной квантовой связи и второе ядро 202 нелокальной квантовой связи второго ППУ 212 нелокальной квантовой связи, которые выполнены в виде термолюминесцентных кристаллов, содержащих квантово-запутанные электронные центры окраски.
Рассматриваемая система нелокальной квантовой связи выполнена с возможностью того, что сообщения, поступающие от компьютера передающей стороны, передаются посредством импульсного, в соответствии с двоичными символами «1» или «0», облучения лучом света на передающей стороне одного из ядер 102 и 202 нелокальной квантовой связи и непрерывного облучения лучом света на приемной стороне другого из ядер 102 и 202 нелокальной квантовой связи, с измерением на приемной стороне длительности рассеивания света ядром нелокальной квантовой связи приемной стороны, которое производится при помощи фотодетектора приемной стороны.
Причем в качестве передающей стороны может служить любая из двух приемопередающих станций (1 или 2) нелокальной квантовой связи, в то время как другая приемопередающая станция нелокальной квантовой связи при этом будет служить в качестве приемной стороны.
В рассматриваемой системе нелокальной квантовой связи для формирования квантово-механически запутанных электронных центров окраски термолюминесцентные кристаллы первого ядра 102 нелокальной квантовой связи первой приемопередающей станции 1 нелокальной квантовой связи и второго ядра 202 нелокальной квантовой связи второй приемопередающей станции 2 нелокальной квантовой связи предварительно одновременно и совместно облучены квантово-запутанными рентгеновскими или гамма-квантами с целью создания запутанных ловушек (электронных центров окраски) в смежных термолюминесцентных кристаллах для соответственно первого ядра 102 нелокальной квантовой связи и второго 202 ядра нелокальной квантовой связи.
Кроме того, первый фотодетектор 104 и второй фотодетектор 204 могут быть сориентированы перпендикулярно соответственно первому лучу 106 света и второму лучу 206 света, излучаемыми соответственно первым источником 103 света и вторым источником 203 света, для приема соответственно света 108 и света 208, рассеиваемого соответственно первым ядром 102 нелокальной квантовой связи и вторым ядром 202 нелокальной квантовой связи.
В свою очередь, первая заглушающая свет преграда 105 и вторая заглушающая свет преграда 205 могут быть размещены перпендикулярно соответственно первому остаточному лучу 107 света и второму остаточному лучу 207 света, прошедшими через соответственно первое ядро 102 нелокальной квантовой связи и второе ядро 202 нелокальной квантовой связи. На этом чертеже показаны 3 различных вида связи:
- традиционная электрическая связь - сплошная одинарная линия;
- традиционная оптическая связь - сплошная двойная стрелка, при этом излучаемые источниками 103, 203 света лучи света показаны стрелками 106, 206 соответственно, рассеянный квантово-механически запутанными электронными центрами окраски свет показан стрелками 108, 208, а остаточные лучи света (вторичные волны, создаваемые термолюминесцентными кристаллами при падении на них лучей света от соответствующего источника и прошедшие сквозь него) показаны стрелками 107 и 207;
- нелокальная квантовая связь - пунктирная линия между первым и вторым ядрами 102 и 202 нелокальной квантовой связи, между которыми осуществляется нелокальная квантовая связь, обусловленная запутанностью электронных центров окраски термолюминесцентных кристаллов, входящих в состав первого и второго ядер 102 и 202 нелокальной квантовой связи.
Описание работы рассматриваемой системы связи. На фиг. 2 представлена последовательность операций (блок-схема алгоритма) развертывания технических средств системы нелокальной квантовой связи, результатом выполнения которых является создание системы связи с двумя квантово-запутанными термолюминесцентными кристаллами. Реализация такой последовательности операций позволяет сформировать запутанность таких частиц, как электроны, при этом, как отмечалось выше, запутанные 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.
Для уяснения сути рассматриваемой системы связи в качестве примера рассмотрим ситуацию, когда необходимо передать информацию от первого компьютера 1 ко второму компьютеру 2, т.е. когда первый компьютер 1 является передающей, а второй компьютер 2 - приемной стороной.
Рассмотрим случай, когда в рассматриваемой системе нелокальной квантовой связи не нужно передавать никакую информацию. Источник, в качестве которого выступает второй лазер 203 (фиг. 1), излучает второй луч 206 света в непрерывном режиме. Этот свет, поступая на термолюминесцентный кристалл второго ядра 202 нелокальной квантовой связи, вызывает в нем поляризацию электрически упругого смещения электронов электронных центров окраски, квантово-механически запутанных с электронными центрами окраски кристалла в первом ядре 102 нелокальной квантовой связи. 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 с теми же параметрами, т.е. с той же частотой фотонов и в том же направлении. Тем самым от второго фотодетектора 204, расположенного перпендикулярно направлению распространения второго луча 206 света, какие-либо сигналы отсутствуют.
Из-за несовершенства кристаллической структуры - наличия неоднородностей и примесей - незначительная часть света из второго луча 206 света неизбежно рассеивается. Этот рассеянный свет необходимо рассматривать в качестве паразитного шума и, следовательно, его необходимо отфильтровать, что достигается соответствующей настройкой чувствительности второго фотодетектора 204.
Пусть теперь в рассматриваемой системе нелокальной квантовой связи нужно передать двоичный символ информации. Если источник, в качестве которого выступает первый источник 103 света, излучит короткий импульс первым лучом 106 света, что соответствует передаваемому двоичному символу, например, «0», или более длинный импульс первым лучом 106 света, соответствующий передаваемому двоичному символу «1», то под действием этого первого луча 106 света в термолюминесцентном кристалле первого ядра 102 нелокальной квантовой связи возникает поляризация электрически упругого смещения электронов центров окраски. Поскольку запутанные между термолюминесцентными кристаллами первого и второго ядер 102 и 202 нелокальной квантовой связи 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 света, излучаемого электронными центрами окраски в термолюминесцентных кристаллах первого и второго ядер 102 и 202 нелокальной квантовой связи, будут отличаться из-за инвариантности относительно поворотов системы координат, от направления первого и второго лучей 106 и 206 света, излучаемых источниками в виде первого и второго источников 103 и 203 света.
Другими словами, на время (которое и определяет, каким будет двоичный символ - «0» или «1») прохождения первого луча 106 света по термолюминесцентному кристаллу первого ядра 102 нелокальной квантовой связи, интенсивность рассеивания второго луча 206 света термолюминесцентным кристаллом второго ядра 202 нелокальной квантовой связи, которое приводит к появлению света 208 (рассеянного термолюминесцентным кристаллом второго ядра 202 нелокальной квантовой связи), повысится. Вследствие этого свет 208, рассеянный термолюминесцентным кристаллом второго ядра 202 нелокальной квантовой связи, попадает на второй фотодетектор 204. Второй фотодетектор 204 реагирует на него (из-за более высокой его интенсивности по сравнению с паразитным шумом), как на полезный сигнал. Длительность такого полезного сигнала в точности равна длительности рассеивания квантово-механически запутанными электронными центрами окраски в термолюминесцентном кристалле второго ядра 202 нелокальной квантовой связи, падающего на него второго луча 206 света с формированием света 208 (рассеянного термолюминесцентным кристаллом второго ядра 202 нелокальной квантовой связи), а значит и в точности равна длительности прохождения первого луча 106 света по термолюминесцентному кристаллу первого ядра 102 нелокальной квантовой связи, т.е., согласно передаваемому двоичному символу «0» или «1».
Вышеописанная последовательность операций (блок-схема алгоритма) передачи информации при осуществлении нелокальной квантовой связи с помощью предлагаемого ППУ нелокальной квантовой связи проиллюстрирована на фиг.3.
Что касается переключения направления передачи информации в системе нелокальной квантовой связи, работающей в полудуплексном режиме, то отметим, что вопросу организации связи в полудуплексном режиме посвящено множество литературы, в частности, [4, 13].
Таким образом, достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении качества связи за счет устранения паразитных шумов, создаваемых остаточным лучом света.
Источники информации
1. Патент RU 2106749 C1, Н04В 10/02 (2006.01), 03.10.1998. Космическая оптическая линия связи между двумя объектами.
2. Патент RU 2116700 C1, Н04В 14/00 (2006.01), Н04 В 1/707 (2006.01), 27.07.1998. Устройство связи.
3. Патент RU 2702613 С2, Н04 В 10/70 (2013.01), 27.06.2019. Способ связи.
4. Cowley J. Communications and Networking: An Introduction. - Springer, 2006. - P. 8-9.
5. Einstein A., Podolsky В., Rosen N. Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? // Phys. Rev., 1935, vol. 47. - P. 777-780.
6. Bell J.S. Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, New York, Cambridge University Press, 1993.
7. Aspect A. Trois tests experimentaux desinegalites de Bell par mesure de correlation de polarisation de photons, Doctoral Dissertation, universite Paris-Orsay, 1983.
8. Jennewein Т., Weihs G., Jian-Wei P., Zeilinger A. Experimental Nonlocality Proof of Quantum Teleportation and Entanglement Swapping // Phys. Rev. Lett., 2002, vol. 88.
9. Bowen W.P., Lam P.K., Ralph T.C. Biased EPR Entanglement and Its Application to Teleportation // Journal of Modern Optics, 2002.
10. Desbrandes, R., Van Gent, D. Intercontinental quantum liaisons between entangled electrons in ion traps of thermoluminescent crystals, 2006.
11.Непомнящих А.И., Рлджэбов E.A., Егранов A.B. Центры окраски и люминесценция кристаллов LiF // Академия наук СССР. Сибирское отделение, Институт геохимии им. Академика А.П. Виноградова, 1984.
12. Либенсон М.Н., Яковлев Е.Б., Шандыбина Т.Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом // Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, 2005.
13. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. Том. 1. - М: Радио и связь, 1998. - 423 с.