Передача информации по квантовым каналам связи

История

Квантовый характер излучения и поглощения энергии электромагнитного поля был постулирован М. Планком в 1900 для объяснения свойств теплового излучения. Термин «фотон» введён химиком Г. Льюисом в 1926.

В современной физике фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия (часто называется элементарной частицей), ряд авторов относит фотон к квазичастицам. Подобно элементарным частицам, не требует среды для своего распространения, однако не обладает массой покоя, подобно квазичастицам. Фундаментальная составляющая света и всех других форм электромагнитного излучения.

Современная теория была разработана в 1905—1917 гг. Альбертом Эйнштейном
для объяснения наблюдаемых в экспериментах противоречий с классической волновой теорией света, например при изучении фотоэффекта.

Предпринимались попытки объяснить квантовые свойства света полуклассическими моделями, в которых свет по-прежнему описывается уравнениями Максвелла, а объекты, излучающие и поглощающие свет, квантуются. Несмотря на то, что полуклассические модели оказали влияние на развитие квантовой механики, эксперименты полностью подтвердили правоту Эйнштейна о квантовой природе света. Следует отметить, что квантовые свойства не являются особыми свойствами электромагнитных волн, а присущи всем видам движения, причем не только колебательного.

Концепция фотона привела ко многим новым теориям и открытиям, например, мазер, лазер, конденсация Бозе — Эйнштейна, квантовая теория поля и вероятностная интерпретация квантовой механики. В соответствии со Стандартной Моделью физики элементарных частиц, фотоны ответственны за наличие всех электрических и магнитных полей, а само их существование следует из симметрии физических законов относительно пространства и времени. Внутренние свойства фотона (электрический заряд, масса и спин) определяются калибровочной симметрией.

Концепция фотонов имеет множество приложений, таких как фотохимия, видеотехника, компьютерная томография, микроскопия высокого разрешения и измерение межмолекулярных расстояний. С недавнего времени фотоны также изучаются как элементы квантовых компьютеров и сложных приложений в передаче данных (квантовая криптография).

Фотон как квант изменения ориентации, и (или) направления, и (или) скорости движения места положения инерции-массы материальных микро и макро объектов мироздания и внутренних структурных отдельностей этих объектов

Фотон является квантом (порцией) энергии изменения ориентации, и или направления, и (или) величины вектора-импульса (скорости) термодинамических объектов — объектов, имеющих электрический заряд или в среднем электрически нейтральных (то есть, со взаимной «компенсацией» противоположно вращающихся вихрей подквантов своей структуры), но имеющих электрически заряженные — закрученные в вихри структурные отдельности. В частности, изменения величины скорости и (или) направления движения места положения инерции-массы материальных микро и макро объектов всех видов и форм времени-бытия всех масштабных уровней материи в материи среды-пространства, а также структурных отдельностей внутренней среды самих материальных объектов.

Можно сказать, что фотон есть квант автовзаимных отношений внешних (экстрасферовекторных — извне к объекту) и внутренних (интросферовекторных — от объекта вовне) инерциальных систем отсчёта микро и макро объектов мироздания относительно самого себя и относительно других объектов, а также инерциальной системы отсчёта среды нахождения к находящимся в этой среде объектам. Квант изменения движения местоположения и, возможно, квант энергии-массы.

Предполагается, что фотон есть пакет вихрей подквантов материи: вихря подквантового сферического электрического конденсатора (например, вылетающего вовне из вихря подквантов электрона или влетающего в вихрь подквантов электрона извне) и его трекового «следа» в материи диэлектрика вакуума — вихря подквантового цилиндрического электрического конденсатора в автовзаимном комплементарном взаимодействии с магнитным вихрем как витой парой противоположно вращающихся и параллельно летящих подквантовых электрических конденсаторов — магнитного вихря, являющегося следствием прецессии (спина?) оси вращения вихря подквантового сферического электрического конденсатора.

Ссылки

• Все экспериментально измеренные свойства фотона на сайте Particle Data Group{(англ.)
• MISN-0-212 Characteristics of Photons (PDF file) by Peter Signell and Ken Gilbert for Project PHYSNET.
• How to entangle photons experimentally
• Макеев А. К. Синергия сферовекторных фракталов мироздания. — Агентство научно-технической информации. Научно-техническая библиотека. Дата публикации 20 апреля 2011. – 1093 с.
• Макеев А. К. Нормальная и патологическая анатомия и физиология человеческой личности и социума. Фундаментальные знания о качествах личности человека, человеческого общества и основах управления обществом, производством и поступками людей, основанных на универсальном алгоритме голографического строения и функции всех уровней и форм материи. // Научно-техническая библиотека. – 25 июля 2012. – 364 с.

Примечания

1. ↑ Cocconi, G (1992). «Upper Limits on the Electric Charge of the Photon». American Journal of Physics 60: 750—751.
   Kobychev, V V; Popov, S B (2005). «Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources». Astronomy Letters 31: 147—151. DOI:10.1134/1.1883345.
   Altschul, B (2007). «Bound on the Photon Charge from the Phase Coherence of Extragalactic Radiation». Physical Review Letters 98: 261801.
   Ошибка цитирования Неверный тег : название «chargeless» определено несколько раз для различного содержимого
2. ↑ Einstein, A (1905). «Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (trans. A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light)». Annalen der Physik 17: 132—148.
   (нем.)
   . An English translation is available from Wikisource.
3. Einstein, A (1909). «Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (trans. The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation)». Physikalische Zeitschrift 10: 817—825.
   (нем.)
   . An English translation is available from Wikisource.

4. Einstein, A (1916a). «Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie». Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18: 318.
   (нем.)

5. Einstein, A (1916b). «Zur Quantentheorie der Strahlung». Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich 16: 47.
   Also Physikalische Zeitschrift, 18, 121—128 (1917). (нем.)

6. Lewis, GN (1926). «The conservation of photons». Nature 118: 874—875.

7. См. масса в теории относительности для обсуждения связи между массой покоя и релятивистcкой массой.
8. Заметим, что при аннигиляции образуется два фотона (а не один), поскольку в системе центра масс сталкивающихся частиц их суммарный импульс равен нулю, а один рожденный фотон всегда будет иметь ненулевой импульс. Закон сохранения импульса требует рождения, как минимум, двух фотонов с нулевым общим импульсом. Энергия фотонов (и, следовательно, их частота) определяется законом сохранения энергии

9. Этот процесс является преобладающим при распространении гамма-лучей высоких энергий через вещество.

10. ↑ Robert A. Millikan’s Nobel Lecture. Delivered 23 May
    1924.

11. Compton, A (1923). «A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements». Physical Review 21: 483—502.

12. Wilhelm Wien Nobel Lecture. Delivered 11 December 1911.
13. Max Planck’s Nobel Lecture. Delivered 2 June 1920.

14. Taylor, GI (1909). «Interference fringes with feeble light». Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 15: 114—115.

Физические свойства фотона

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он не имеет массы покоя и электрического заряда, стабилен. Спин фотона равен 1, но из-за нулевой массы более правильное число — спиральность; по этой же причине внутренняя чётность фотона не определена. Является истинно нейтральной частицей (или, иными словами, является античастицей для самого себя). Зарядовая чётность отрицательная. Фотон участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.
Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях, как было описано выше. Фотон не имеет электрического заряда. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны и его направление распространения. Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, когда атом или ядро переходят из возбужденного состояния в состяние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон—позитрон.
При обратных процессах (возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар) происходит поглощение фотонов.

Поскольку фотон — безмассовая частица, он движется в вакууме со скоростью (скорость света в вакууме). Если его энергия равна , то импульс связан с энергией соотношением . Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой , как показано в специальной теории относительности.

В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты (или, что эквивалентно, от длины волны

и, следовательно, величина импульса есть

где — постоянная Дирака равная ; — волновой вектор и — его величина (волновое число); — угловая частота. Волновой вектор указывает направление движения фотона. Фотон также имеет спин, который не зависит от частоты.

Как Алиса и Боб обвели Мэлори

В обычной системе связи Мэлори отводится роль «человека посередине». Он незаметно вклинивается в линию передачи, перехватывает сообщение от Алисы, читает его, при желании также изменяет и передает дальше Бобу. Наивный Боб ни о чем не подозревает. Поэтому Мэлори получает его ответ, проделывает с ним что угодно и отправляет Алисе. Так происходит компрометация всей переписки, телефонных переговоров и любого другого классического вида связи. С квантовой связью это невозможно в принципе. Почему?

Чтобы создать в ней криптографический ключ, Алиса и Боб сначала используют серию измерений на парах запутанных фотонов. Затем результаты этих измерений становятся ключом для шифрования и расшифровки сообщений, отправляемых по любому открытому каналу. Если Мэлори перехватит запутанные фотоны, он разрушит квантовую систему и оба собеседника немедленно узнают об этом. Мэлори физически не сможет повторно передать такие же фотоны, потому что это противоречит принципу квантовой механики, известному как «запрет на клонирование».

Так происходит потому, что свойства макро- и микромира кардинально отличаются. Любой макрообъект всегда существует во вполне определенном состоянии. Вот лист бумаги, он лежит. Вот его поместили в конверт и отправили авиапочтой. Мы можем измерить любой параметр бумажного сообщения в любой момент времени, и это никак не повлияет на его суть. Оно не изменит содержание от взвешивания, просвечивания рентгеном и не станет лететь быстрее в луче радара, которым мы измеряем скорость самолета.

Для элементарных частиц все не так. Они описываются как вероятностные состояния квантовой системы, а любое измерение переводит ее в строго определенное состояние, то есть изменяет. Само влияние измерения на результат плохо укладывается в привычное мировоззрение. Однако с практической точки зрения оно интересно тем, что состояние передаваемой квантовой системы нельзя узнать скрытно. Попытка перехватить и прочесть такое сообщение попросту разрушит его. Поэтому считается, что квантовая связь полностью исключает возможность MitM-атаки.

Для квантовой передачи данных теоретически подходят любые элементарные частицы. Раньше эксперименты проводились с электронами, протонами и даже ионами разных металлов. На практике же пока удобнее всего использовать фотоны. Их легко излучать и регистрировать. Уже есть готовые приборы, протоколы и целые оптоволоконные сети для традиционной передачи данных. Отличие квантовых систем связи состоит в том, что передавать в них надо пары предварительно запутанных фотонов.

История названия и обозначения

Фотон изначально был назван «световым квантом» (das Lichtquant) его первооткрывателем, Альбертом Эйнштейном. Современное название, которое «фотон» получил от греческого слова φῶς, «phōs» (означает свет), было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом, который опубликовал теорию в которой фотоны считались «несоздаваемыми» и «неразрушимыми». Хотя теория Льюиса никогда не использовалась, так как находилась в противоречии с экспериментами, термин фотон начал использоваться большинством физиков.

В физике, фотон обычно означается символом (греческая буква гамма). В химии и оптической инженерии для фотонов часто используют обозначение где — постоянная Планка и (греческая буква ню) — частота фотонов (произведение этих двух величин есть энергия фотона).

Корпускулярно-волновой дуализм

Основные статьи: Корпускулярно-волновой дуализм, Связанные когерентные состояния

Фотону свойствен корпускулярно-волновой дуализм.
С одной стороны, фотон демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной волны фотона.
Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.
.
Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон излучается или поглощается целиком объектами, причём размеры которых много меньше длины волны фотона (например, атомами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).