Fysikere viser, at fejlkorrigering i realtid i kvantekommunikation er mulig

Naturfysik i dag, Mandag, 23. januar 2017, offentliggjorde forskningen online af et team ledet af fysikere fra School of Physics ved Wits University. I deres opskrift med titlen:Karakterisering af kvantekanaler med ikke-adskillelige tilstande af klassisk lys demonstrerer forskerne det opsigtsvækkende resultat, at naturen undertiden ikke kan se forskel mellem bestemte typer laserstråler og kvanteindviklede fotoner.

I det væsentlige, forskningen viser, at naturen undertiden ikke kan se forskel på kvante- og de klassiske (eller virkelige) verdener, og at der virkelig eksisterer et gråt område mellem de to verdener, der kaldes klassisk sammenfiltring.

Klassiske og kvante verdener

Nuværende kommunikationssystemer er meget hurtige, men ikke grundlæggende sikker. For at gøre dem sikre kan forskere bruge naturlovene til kodning ved at udnytte kvanteverdenens sære egenskaber, f.eks. ved brug af Quantum Key Distribution (QKD) til sikker kommunikation.

"Quantum" refererer til de små, og i fotonikverdenen betyder dette en foton - en enkelt lyspartikel. Reglerne for kvanteverdenen er meget forskellige fra reglerne i den klassiske verden, og eksperimenter er traditionelt meget sværere på grund af vanskeligheden ved at håndtere blot et par fotoner.

"I den klassiske verden er vores intuition sand. Der er ingen overraskelser, og der kan eksperimenteres med mange fotoner (milliarder og milliarder af dem), såsom laserlys, "forklarer professor Andrew Forbes, teamleder for samarbejdet og fornem professor i fysikskolen, hvor han leder Wits Structured Light Laboratory.

"Men ikke sådan i kvanteverdenen, hvor tingene aldrig er helt som de ser ud. Her ligner bølger nogle gange partikler, partikler som bølger, og målinger ændrer egenskaberne for det, du prøver at måle. "

Realtids kvantefejlkorrektion er mulig

Nu har forskere vist, at der er et gråt område, hvor naturen ikke kan se forskel på det klassiske og kvantet. Dette åbner muligheden for først at udføre kvanteeksperimenter med en type klassisk lys kaldet "klassisk viklet" lys.

For eksempel, at etablere et sikkert kvantekommunikationsforbindelse over lange afstande er meget udfordrende:"Kvantelinks (som i fiberoptik) ved hjælp af lysmønstre aftager på korte afstande, netop fordi der ikke er nogen måde at beskytte forbindelsen mod støj (interferens fra, for eksempel, tåge eller en bøjning i et kabel) uden at detektere fotoner. Endnu, når de er opdaget, ødelægges deres nytteværdi, "siger Forbes.

Denne fangst 22 -situation har været en tilsyneladende uoverstigelig hindring. Nu har teamet vist, at dette kan overvindes ved hjælp af klassiske (mange foton) lysfelter, muliggør korrektion af kvantefejl i realtid.

Ved at forberede og sende en såkaldt "klassisk viklet" stråle kunne teamet vise, at dette var identisk med at sende en kvantetilstand. Det betyder, at det observerede kvanteindviklingsforfald på grund af støj i forbindelsen kan vendes, baner vejen for store fremskridt inden for sikre kvantelinks i fiber og ledig plads.

"Vi viste for første gang, at klassisk lys kan bruges til at analysere et kvantelink, fungerer som en direkte ækvivalent til kvantetilstandens adfærd, "siger Bienvenu Ndagano, hovedforfatter og ph.d. -studerende ved Wits University.

"Ikke ens, eller efterligner, men tilsvarende. For at vise dette, vi udnyttede en bestemt type laserstråle, kaldet vektorstråler, der har egenskaben at være ikke-adskillelige og undertiden kaldes 'klassisk viklet'. "

Ndagano forklarer, at kvantefiltringens karakteristiske egenskab er statens ikke-adskillelige, hvilket betyder, at den ene del af systemet ikke kan adskilles fra den anden. "Men ikke-adskillelighed er ikke unik for kvanteverdenen:du kan finde det i vejrkort, hvor placeringerne på kortet og temperaturerne på disse steder ikke kan adskilles."

Klassisk sammenfiltret lys

Mere spændende, klassiske vektorbjælker har også denne egenskab, som teamet kalder "klassisk sammenfiltret" lys.

Siger Forbes, "Det vi spurgte var:betyder det, at klassisk lys kan bruges i kvantesystemer - et gråt område mellem de to verdener, som vi kalder klassisk forvikling?".

"Begrebet klassisk forvikling er stærkt omtvistet i fysikfællesskabet med nogle, der hævder, at det blot er en matematisk konstruktion, "siger Thomas Konrad (UKZN), medforfatter på papiret. "Dette værk viser, at der også er fysisk betydning for det, og vi tilbyder de første side-by-side-data om ækvivalensen af ​​klassisk og kvantefiltring ".

Tidligere har at rette en fejl i kvantetilstanden, der bruges til sikker kommunikation, ville betyde måling af den sendte foton, hvilket igen ville betyde at miste de oplysninger, man forsøgte at sende.

Dette arbejde gør det muligt at etablere og teste langdistancekvantelinks med klassisk sammenfiltret lys:da der ikke er mangel på fotoner i det klassiske lys, alle de målinger, der er nødvendige for at rette fejlene i kvantetilstanden, kan foretages i realtid uden at ødelægge kvanteoplysningerne.

Dermed, real-time fejlkorrektion er mulig, da du kan køre eksperimenter i den klassiske verden, der vil fortælle dig, hvordan du retter fejlen i kvanteverdenen.

Hurtig og sikker dataoverførsel via virkelige forbindelser

Teamet arbejder på at pakke så meget information ind i fotoner ved hjælp af lysmønstre som et middel til at kode informationen. Da der er et ubegrænset antal mønstre, mængden af ​​oplysninger, der kan sendes sikkert, er i princippet også mindst ubegrænset.

Selvom alle mønstre er ækvivalente med hensyn til informationskapacitet, dette arbejde antyder, at valget af mønster også spiller en vigtig rolle i analysen og korrigeringen af ​​de fejl, der opleves ved at overføre linket.

"Ved at arbejde i dette grå område mellem det klassiske og det kvante kan vi vise hurtig og sikker dataoverførsel over virkelige links, "siger Forbes.