Квантовые коммуникации сами по себе странное явление. Но в разнообразии квантов есть один самый странный вид — контрфактическая коммуникация (counterfactual communication). Это вид связи, который вообще не предполагает передачу частиц между отправителем и получателем. Этот вид отличается от обычной квантовой телепортации, потому что в телепортации используются спутанные частицы. Обычно частицы нужно физически совместить и спутать заранее, прежде чем телепортировать информацию между ними на любое расстояние, то есть передача частиц происходит так или иначе. Как вариант, частицы можно спутать на расстоянии, но при посредничестве третьей частицы, которая всё-таки должна физически проделать этот путь. В контрфактических соединениях такого условия нет (только нужно помнить, что фотон здесь можно описать волновой функцией и не считать частицей).

Теоретическую основу для контрфактической квантовой связи физики сформулировали в 2013 году. Согласно описанию протокола, передача информации между Алисой и Бобом осуществляется в пустом пространстве без движения физических частиц за счёт измерений без взаимодействия и цепочки квантовых эффектов Зенона.

Описание протокола было теоретической работой, но сейчас учёные впервые на практике установили прямое контрфактическое соединение и действительно передали информацию — чёрно-белое изображение из пункта А в пункт Б. Носителем информации является фаза света, а фотон описывается волновой функцией.

Ключевым элементом контрфактической коммуникации являются измерения без взаимодействия — такой тип измерений в квантовой механике, когда состояние объекта регистрируется без взаимодействия объекта с измерительным устройством (в интерферометре).

Первое экспериментальное подтверждение измерений без взаимодействия получено в 1981 году, хотя точность передачи информации тогда не превышала 50%. С помощью эффекта Зенона в 1989 году точность повысили до 100%. Квантовый эффект Зенона заключается в том, что время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы с дискретным энергетическим спектром прямо зависит от частоты событий измерения её состояния. Таким образом, в предельном случае в условиях частого наблюдения нестабильная частица никогда не может распасться. Эффект впервые предсказал в 1954 году математик Алан Тьюринг.

Квантовый эффект Зенона

Схему измерений без взаимодействия уже проверили для квантовых вычислений и квантовой криптографии. Её также можно использовать для создания связанности между дистанционно разделёнными атомами, пишут авторы научной работы.

Несмотря на прогресс в изучении эффектов квантовой механики, до сих пор учёным не удавалось установить прямое контрфактическое соединение и передать информацию без передачи физических частиц. Хотя бы на одном этапе в цепочке канала коммуникации но использовались частицы. Настоящий прорыв совершила группа учёных под руководством Х.Салиха из Национального центра математики и физики Саудовской Аравии, которая решила-таки этот ребус и в 2013 году представила схему прямого контрфактического соединения вообще без передачи частиц.

Открытие породило волну горячих споров в научном сообществе. Чего до сих пор не существовало, так это реального практического эксперимента, который бы подтвердил теорию физиков из Саудовской Аравии. И китайские коллеги провели такой эксперимент.Они успешно реализовали схему Салиха, используя квантовый эффект Зенона и однофотонный источник.

На иллюстрации внизу показана схематическая диаграмма прямой контрфактической квантовой коммуникации, в которой нестабильная система постоянно подвергается измерениям, чтобы проявился квантовый эффект Зенона. На рисунке А — схематическая диаграмма схемы Салиха. На рисунке B демонстрируется, что при изъятии зеркала третий из возможных маршрутов исчезает. На рисунке С показана схема реальной экспериментальной установки, спроектированной по упрощённой схеме Салиха, с использованием интерферометров Майкельсона.

Макет экспериментальной установки показывает схему более наглядно

Суть в том, что фотон движется сквозь детекторы, и каждый из них может среагировать на него, а может и не среагировать (0 или 1). Таким образом, информация закодирована в фазе света, а интенсивность света не имеет значения.

Научная работа опубликована 9 мая 2017 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (doi:10.1073/pnas.1614560114).