Et nyt twist på kvantekommunikation i fiber

Ny forskning udført ved University of the Witwatersrand i Johannesburg, Sydafrika, og Huazhang University of Science and Technology i Wuhan, Kina, har spændende konsekvenser for sikker dataoverførsel på tværs af optiske fibernet. Teamet har demonstreret, at flere kvantemønstre af snoet lys kan overføres over en konventionel fiberforbindelse, der, paradoksalt nok, understøtter kun ét mønster. Implikationen er en ny tilgang til at realisere et fremtidigt kvantenetværk, udnytte flere dimensioner af sammenfiltret kvantelys.

Videnskab fremskridt offentliggjorde forskningen af ​​et team ledet af professor Andrew Forbes fra School of Physics ved Wits University i samarbejde med et team ledet af professor Jian Wang ved HUST. I deres papir, med titlen "Multidimensionel sammenfiltringstransport gennem single mode fiber, "forskerne demonstrerer et nyt paradigme for at realisere et fremtidigt kvantennetværk. Teamet viste, at flere lysmønstre er tilgængelige efter et kommunikationsforbindelse med konventionel optisk fiber, der paradoksalt nok kun kan understøtte et enkelt mønster. Teamet opnåede dette kvantetrick ved at manipulere med mekanik i to lysfrihedsgrader, polarisering og mønster, passerer den polariserede foton ned i fiberen og får adgang til de mange mønstre med den anden foton.

"I det væsentlige, forskningen introducerer konceptet om at kommunikere på tværs af ældre fibernet med multidimensionale sammenfiltrede tilstande, at samle fordelene ved eksisterende kvantekommunikation med polariserede fotoner med fordelene ved højdimensionel kommunikation ved hjælp af lysmønstre, "siger Forbes.

Et nyt twist, et nyt paradigme

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 kvantnøglefordeling (QKD) til sikker kommunikation.

"Quantum" refererer her til den "uhyggelige handling på afstand", så afskrækket af Einstein:kvanteindvikling. I de sidste årtier har kvanteindvikling er blevet udforsket grundigt for en række kvanteinformationsprotokoller, især at gøre kommunikationen mere sikker via QKD. Ved hjælp af såkaldte "qubits" (2-D kvantetilstande), informationskapaciteten er begrænset, men det er let at opnå sådanne tilstande på tværs af fiberforbindelser ved hjælp af polarisering som en grad af frihed for kodningen. Det rumlige mønster af lys, sit mønster, er en anden grad af frihed, der har fordelen ved højdimensionel kodning. Der er mange mønstre at bruge, men desværre, dette kræver brugerdefineret fiberoptisk kabel og er derfor uegnet til eksisterende netværk. I det nuværende arbejde, teamet har fundet en ny måde at afbalancere disse to ekstremer ved at kombinere polarisationsqubits med højdimensionelle rumlige tilstande for at skabe multidimensionelle hybridkvantetilstande.

"Tricket var at vride den ene foton i polarisering og vride den anden i mønster, danner 'spirallys', der er viklet ind i to frihedsgrader, "siger Forbes." Da den polariseringsfiltrede foton kun har et mønster, det kunne sendes ned over langdistance single-mode fiber (SMF), mens den snoede lysfoton kunne måles uden fiberen, adgang til multidimensionale snoede mønstre i det frie rum. Disse vendinger bærer orbital vinkelmoment (OAM), en lovende kandidat til kodning af information. "

At overvinde de nuværende udfordringer

Kvantekommunikation med højdimensionelle rumlige tilstande (f.eks. OAM modes) er lovende, men kun muligt i specielt designet multi-mode fiber, hvilken, imidlertid, er stærkt begrænset af tilstand (mønster) koblingsstøj. Single-mode fiber er fri for denne "mønsterkobling" (som nedbryder sammenfiltring), men kan kun bruges til todimensionel polarisationsindvikling.

"Nyheden i det publicerede værk er demonstrationen af ​​multidimensionel sammenfiltringstransport i konventionel single-mode fiber. Lyset er snoet i to frihedsgrader:polarisationen er snoet for at danne spirallys, og det er mønsteret også. Dette kaldes spin-orbit-kobling, her udnyttet til kvantekommunikation, "siger Forbes." Hver transmission er stadig kun en qubit (2-D), men der er et uendeligt antal af dem på grund af det uendelige antal snoede mønstre, vi kunne vikle ind i den anden foton. "

Teamet demonstrerede overførsel af multidimensionale sammenfiltringstilstande over 250 m single-mode fiber, viser, at et uendeligt antal todimensionale underrum kunne realiseres. Hvert underrum kunne bruges til at sende oplysninger, eller multiplexering af oplysninger til flere modtagere.

"En konsekvens af denne nye tilgang er, at der er adgang til hele det højdimensionale OAM Hilbert-rum, men to dimensioner ad gangen. På en eller anden måde er det et kompromis mellem enkle 2-D tilgange og sande højdimensionelle tilgange, "siger Forbes. Det er vigtigt, højdimensionelle tilstande er uegnede til transmission via konventionelle fibernet, der henviser til, at denne nye tilgang gør det muligt at bruge ældre netværk.