Квантов шум пречи да се „надбяга” светлинната скорост

Американски физици успяха да „заплетат“ на квантово ниво два лъча светлина и с тях да изяснят, че свръхсветлинните фотони не могат да предават информация по-бързо от светлината поради квантовия шум, възникващ при такова движение.

„Проведохме тези експерименти дори без да се опитаме да нарушим законите за причините и следствията. Главна наша цел беше проверката на това, какво „принуждава“ светлината да следва тези закони, и изяснихме, че тази роля играе квантовият шум.

Освен това по неочакван за нас начин успяхме да изясним, че светлината взаимодейства напълно различно с „бързите“ и „бавните“ оптични среди, включително ако говорим за процеса на предаване на информация“, казва Пол Лет от Обединения квантов институт в Мериленд (САЩ).

Лет и колегите му обикновено се занимават с по-различни задачи – разработката на кюбити, базови изчислителни клетки на квантовите компютри, и начините за обмен на информация между тях. Кюбитите обикновено се намират в работно състояние за кратко – само части от секундата, във връзка с което скоростта на предаване на информация между тях има огромно значение за квантовите изчисления.

По тази причина екипът на Лет се заинтересувал от отдавна известното във физиката „нарушение“ на пределите на скоростта на светлината в прозрачни материали с особен коефициент на пречупване. В тях част от светлинната вълна може да пътешества със скорост, значително превишаваща скоростта на светлината. В последните години учените активно изучават природата на подобни „вълни нарушители“, опитвайки се да разберат може ли по принцип те да се използват за предаване на информация.

За отговор на този въпрос учените създали експериментална инсталация, която позволява да се „заплитат“ една с друга и да се превръщат в едно квантово цяло не единични фотони, а светлинни лъчи. Според идеята на физиците информацията в такива „заплетени“ лъчи може да се предава във вид на квантови флуктуации, а не във вид на поляризация на фотони или други свойства, което трябва да защитава данните от пречки.

Не е лесно да се получат такива лъчи – за тяхното „заплитане“ учените използвали облак от рубидиеви атоми, охладени до ниски температури, които постоянно се подхранвали с лазер. Благодарение на особените свойства на рубидиевите атоми, лазерните импулси се превръщали в два инфрачервени лъча, заплетени на квантово ниво.

По време на опитите физиците пропускали един от тези лъчи през вакуум, а втория – през прозрачен материал с нормален или „свръхсветлинен“ коефициент на пречупване. Във всеки от случаите учените следили как се променяла степента на заплитане на лъчите, а също тяхната фаза и интензивност. Сравнявайки тези показатели за различни материали, Лет и колегите му се опитали да разберат губи ли се заплитането при свръхскоростно движение на светлината.

Експериментът започнал сравнително добре: „заплетеността“ на лъчите се съхранила при проверка на работоспособността на уреда в нормални оптични среди, където светлината се движи по-бавно от скоростта на светлината.

Освен това учените успели да я открият при свръхсветлинно движение. И все пак авторите на статията не успели да извършат предаване на информация поради рязкото нарастване на квантовия шум. Според Лет и колегите му тези пречки се появили в сигнала, тъй като „свръхсветлинният“ материал усилвал „свръхскоростния“ лъч, предавайки му част от своята енергия.

Както предпазливо отбелязват физиците, такова ограничение носи фундаментален характер, което не позволява да се използват „свръхсветлинни“ фотони за предаване на информация по принцип. Това се съгласува със специалната теория на относителността, закона на причинността и други положения на съвременната наука, които говорят за невъзможността на такова действие.

Схемата на експерименталната инсталация и резултатите от опитите на учените са публикувани в сп. Nature Photonics.