Forskere demonstrerer kvanteteleportering af lysmønstre

Naturkommunikation i dag offentliggjort forskning af et team bestående af skotske og sydafrikanske forskere, demonstrere sammenfiltring bytte og teleportation af orbital vinkelmoment 'lysmønstre'. Dette er et afgørende skridt i retning af at realisere en kvante-repeater til højdimensionale sammenfiltrede tilstande.

Kvantekommunikation over lange afstande er en integreret del af informationssikkerheden og er blevet demonstreret i frit rum og fiber med todimensionelle tilstande, for nylig over afstande, der overstiger 1200 km mellem satellitter. Men kun brug af to tilstande reducerer fotonernes informationskapacitet, så linket er sikkert, men langsomt. For at gøre det sikkert og hurtigt kræver et højere dimensionelt alfabet, for eksempel, ved hjælp af lysmønstre, hvoraf der er et uendeligt antal. Et sådant mønstersæt er lysets orbital vinkelmoment (OAM). Øgede bithastigheder kan opnås ved at bruge OAM som bærer af information. Imidlertid, sådanne fotonstater forfalder, når de overføres over lange afstande, for eksempel, på grund af modekobling i fiber eller turbulens i ledigt rum, hvilket kræver en måde at forstærke signalet. Desværre er en sådan "forstærkning" ikke tilladt i kvanteverdenen, men det er muligt at skabe en analogi, kaldet en kvante -repeater, ligner optiske fiberreparater i klassiske optiske netværk.

En integreret del af en kvanterepeater er evnen til at sammenfiltre to fotoner, der aldrig har interageret - en proces, der kaldes "sammenfiltringsbytte". Dette opnås ved at forstyrre to fotoner fra uafhængige sammenfiltrede par, hvilket resulterede i, at de resterende to fotoner blev viklet ind. Dette tillader etablering af sammenfiltring mellem to fjerne punkter uden at kræve, at en foton rejser hele distancen, og dermed reducere virkningerne af forfald og tab. Det betyder også, at du ikke behøver at have en sigtelinje mellem de to steder.

Et resultat af dette er, at informationen om den ene foton kan overføres til den anden, en proces kaldet teleportation. Ligesom i science fiction -serien, Star Trek, hvor mennesker "stråles" fra et sted til et andet, information "teleporteres" fra et sted til et andet. Hvis to fotoner er sammenfiltrede, og du ændrer en værdi på en af ​​dem, så ændrer den anden sig også automatisk. Dette sker, selvom de to fotoner aldrig er forbundet og, faktisk, er to helt forskellige steder.

I dette seneste værk, teamet udførte den første eksperimentelle demonstration af sammenfiltringsbytte og teleportation for orbital vinkelmoment (OAM) lystilstande. De viste, at der kunne etableres kvantekorrelationer mellem tidligere uafhængige fotoner, og at dette kunne bruges til at sende oplysninger på tværs af et virtuelt link. Vigtigere, ordningen er skalerbar til højere dimensioner, baner vejen for kvantekommunikation på lang afstand med høj informationskapacitet.

Baggrund

Nuværende kommunikationssystemer er meget hurtige, men ikke grundlæggende sikker. For at gøre dem sikre kan forskere bruge naturlovene til kodningen ved at udnytte kvanteverdenens sære egenskaber. En sådan ejendom er sammenfiltring. Når to partikler er sammenfiltrede, er de forbundet i en uhyggelig forstand:en måling på den ene ændrer øjeblikkeligt tilstanden for den anden, uanset hvor langt fra hinanden de er. Forvikling er en af ​​de centrale ressourcer, der er nødvendige for at realisere et kvante netværk.

Men et sikkert kvantekommunikationsforbindelse over lange afstande er meget udfordrende:Kvantelinks ved hjælp af lysmønstre svinder på korte afstande, netop fordi der ikke er nogen måde at beskytte forbindelsen mod støj uden at detektere fotoner, men når de er opdaget, ødelægges deres nytteværdi. For at overvinde dette kan man have en gentagende station på mellemliggende afstande - dette giver mulighed for at dele information på tværs af en meget længere afstand uden at det er nødvendigt at oplysningerne flyder fysisk over dette link. Kerneingrediensen er at få uafhængige fotoner til at blive viklet ind. Selvom dette tidligere er blevet demonstreret med todimensionelle tilstande, i dette arbejde viste teamet den første demonstration med OAM og i højdimensionelle rum.