„Колкото е повече науката, толкова са по-умни ръцете.“

През последното десетилетие се наблюдава бурно развитие на квантовата механика, квантовата оптика и физика на не линейните явления. Резултат от развитието се явява това, че доста абстрактни идеи, лежащи в основата на квантовата физика са получили практическа реализация в създаването на цяла редица високо ефективни квантови прибори и устройства, предназначени за предаване на информация, определяне на координатите на отдалечени обекти, синхронизация на часовници, осигуряване на абсолютно скрита свръзка, квантови компютри и други системи.

Начало на практическото приложение на квантовите прибори в приборостроенето са станали експериментите по квантова телепортация, проведени в началото на 1990 г. За разбиране на физиката на явленията, използвани в тези прибори е необходимо да напомним някои особености на квантовата механика. Тези особености са свързани с това, че за разлика от класическия квантовият обект се явява по начало статистически. По силата на изключително малките обекти всяко експериментално определяне на едни или други характеристики на микро частиците, носи название на принципа за неопределеност на Гейзенберг, който бил открит още през 1927 г. В съответствие с този закон за описване на квантовата система се използва вълновата функция. Тази функция или, както още я наричат, амплитуда на вероятността или вектор на състоянието, носи в себе си цялата информация за конкретното състояние на квантовата система.

Съществено е да се отбележи, че състоянието на всяка квантова система се описва с единна вълнова функция независимо от това, колко частици съдържа системата. Освен това, ако частиците, образуващи квантова система, са еднакви (в частност, сноп фотони с еднакви импулси и поляризация), то тя се описва с взаимодействието между частиците. Такова състояние на частиците се нарича „свързано” или „объркано”. Този удивителен, но достоверно установен факт лежи в основата на разглежданите квантови прибори. Ще разгледаме физическите основи на тяхната работа и състоянието им на развитие.

1. Квантова система за предаване на информация.

Дадената система се основава на ефекта от квантовата телепортация. Под последната се разбира не пренос на самия материален обект, а предаването на абсолютно пълна информация за тях и възстановяване на точно копие на обекта на приемния край на линията на свръзка. За реализация на квантовата телепортация е необходимо да бъдат изпълнени две условия. Първото от тях – приготвяне на свързано квантово състояние на няколко частици, притежаващи определени свойства (например, нулеви сумарни гърбове). Второто – създаване движение на частиците в такива условия, при които това квантово състояние не се разрушава и е плътно до момента на регистрация на информацията. И двете условия към настоящия момент вече са изпълними.

За пример на свързано състояние могат да служат два еднофотонни снопа с различни вълнови вектори. Експериментално свързани двойка фотони се получават при каскаден разпад в атомните системи, а също при облъчване на кристал с квадратична не линейност на ултравиолетови фотони. Такъв фотон в кристала се разпада на два червени фотона с приблизително равна енергия. За откриване свързаното състояние на частиците обикновено се използва интерференция на интензивността по схемата, показана на рис. 1. Свързване на поляризирани снопове 3 и 4, образувани от ултравиолетово излъчване 1 в кристала 2 се смесват на полупрозрачното огледало 6 и се регистрират от два детектора 7 и 8, отчетите от които се анализират за съвпадение в 9.

Съществуват две възможности за попадане на фотони от всеки сноп в един от детекторите. Съвпадението на отчетите от двата детектора съответстват на свързаното състояние на регистрираната двойка частици.

Рис. 1. Схема за наблюдение на интерференция на интензивността (обяснението е в текста).

Първата експериментална реализация на квантова телепортация е била осъществена в края на 1997 г. Този експеримент като чели е потвърдил мечтите на фантастите възможността за мигновено изчезване на обекта от едно място и възникването му на друго, пространствено отделени. Схемата на експеримента е приведена на рис. 2.

Източник на ултравиолетово излъчване 1 в кристала 2 създават се фотони 9 и 10, свързване в предаващата система А с приемаща система Б. Измерване на фотоните 5, преминали поляризатора 4, и фотоните 9 получават се при смесването им с помощта на две огледала 3 и полупрозрачното огледало 6 в детектори 7 и 8.

За анализ на поляризиращите свойства на фотона на приемащата страна Б се използва поляризиращо огледало 11 и детекторите 12 и 13. Експерименталното доказателство за телепортацията се състояло в регистрацията на страната А в съвпадението на отчетите на детекторите 7 и 8, фиксиращи момента на телепортация, и един от детекторите 12, 13 на страната Б, настроени за регистрация на различни образи на поляризирани фотони 5. Изменението в поляризацията на фотона 5 води до изменение поляризацията и на фотона 10. Така става телепортацията на състоянието на фотона 5.

Рис. 2. Схема на експеримента за квантова телепортация (обяснението е в текста).

Освен поляризираните свързани фотонни двойки през 1999-2001 г. експериментално са реализирани три фотонно и четири фотонно свързани състояния. През тези години е било реализирано свързано състояние на фотоните, различаващи се в ъгловия момент. По-късно е станало възможно получаването и на тримерно свързани състояния на два фотона.

Тези и други достижения в създаването на свързани състояния откриват широки възможности за практическо използване на системите за квантово предаване на информацията. В първия действуващ образец на такава система, изпитана през 2002 г., е била използвана обикновена влакнесто оптична линия на връзка, положена по протежение на брега на Женевското езеро и по неговото дъно. На най-дългото трасе Женева – Лозана по подводния кабел с дължина 67 км е била достигната видимост 99,6%.

Важно е да се отбележи, че такава връзка може да притежава абсолютна скритост на предаване на информацията, осигурявана от секретен код. Изпитания канал за свръзка се оказал изключително удобен за работа. Предавателят (А) и приемникът (Б) са имали размери 48х48 см и са били включени към стандартна влакнесто оптична линия за свръзка. Има също така първи опит за предаване на квантови кодове между два планински върха на разстояние 23 км.

2. Квантови системи за определяне на разстояния до обект и неговото место положение.

Използването на квантовата кохерентност и свързаните квантови състояния позволяват съществено да се подобрят системите за позициониране, а също така радарните установки.

Известно е, че позиционирането може да бъде осъществено по пътя на изпращане към обекта на импулси и измерване на промеждутъка от време, през който тези импулси достигат обекта. Точността на това определяне зависи от броя на импулсите, ширината на техния спектър и броя на фотоните в импулса. Ако се използва честотно свързани импулси и се измери корелацията между времената на пристигане на М импулса, точността на позиционирането може да се увеличи в √М пъти в сравнение със случая, когато импулсите не са свързани и имат същата ширина на спектъра. Още повече, ако се използва техника за свиване на импулсите, може да се достигне по нататъшно повишаване на точността в √N пъти в сравнение с случая, когато се използва среден брой фотони в импулса, равен на N. По такъв начин, сумарния ефект може да даде повишение на точността в √МN пъти. Едновременно с това значително се подобрява и защитеността на процеса на измерване.

Отбелязания положителен ефект се определя от това, че в дадения случай се използват не отделни, независими един от друг импулси, а здраво корелирано светлинно поле от М фотони, намиращи се в честотно свързано квантово състояние.

Освен позиционирането, по аналогичен начин може да бъде подобрена и системата за синхронизация на часа. Такава синхронизация обикновено се осъществява по пътя на обмена на импулси, излъчвани между обектите, чий часовник трябва да бъде синхронизиран, и измерване на времето за пристигане на тези импулси. Ако скоростта на импулсите в средата е известна, то времето за тяхното пристигане позволява да се определи и относителното разположение на самите обекти.

Освен разгледаните направления, квантовата свързаност вече се използва за подобряване на интерферометричните прибори, прибори за измерване на честотата, литографията, търсещи алгоритми, квантови изчислителни средства и компютри. По съобщение в пресата министерството на отбраната на САЩ провеждат мащабни изследване по програма в областта за създаване на квантови компютри. Бюджетът на тази програма е 19 млн. долара.

По такъв начин, кръгът от приложни работи по използването на квантовите ефекти, които са започнали през 1980-90 г стремително се е разширил. Резултатите от тези работи се явява създаването на принципно нови квантови прибори и устройства със значително подобрение на характеристиките в сравнение с техните „класически” аналози.