Nyt system registrerer svage kommunikationssignaler ved hjælp af kvantefysikkens principper

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udtænkt og demonstreret et system, der dramatisk kan øge ydeevnen af ​​kommunikationsnetværk, samtidig med at det muliggør rekordlave fejlfrekvenser ved detektering af selv de svageste signaler, potentielt reducere den samlede mængde energi, der kræves til state-of-the-art netværk med en faktor på 10 til 100.

Bevis-of-princip-systemet består af en ny modtager og tilsvarende signalbehandlingsteknik, der, i modsætning til de metoder, der bruges i nutidens netværk, er udelukkende baseret på kvantefysikkens egenskaber og er derved i stand til at håndtere selv ekstremt svage signaler med impulser, der bærer mange bits af data.

"Vi byggede kommunikationstestsengen ved hjælp af hyldekomponenter for at demonstrere, at kvantemålingsaktiveret kommunikation potentielt kan skaleres op til udbredt kommerciel brug, " sagde Ivan Burenkov, en fysiker ved Joint Quantum Institute, et forskningspartnerskab mellem NIST og University of Maryland. Burenkov og hans kolleger rapporterer resultaterne i Fysisk gennemgang X Quantum . "Vores indsats viser, at kvantemålinger andre værdifulde, hidtil uforudsete fordele for telekommunikation, der fører til revolutionerende forbedringer i kanalbåndbredde og energieffektivitet."

Moderne kommunikationssystemer fungerer ved at konvertere information til en lasergenereret strøm af digitale lysimpulser, hvori information er kodet - i form af ændringer i lysbølgernes egenskaber - til overførsel og derefter afkodet, når den når modtageren. Pulstoget bliver svagere, når det bevæger sig langs transmissionskanaler, og konventionel elektronisk teknologi til modtagelse og afkodning af data har nået grænsen for sin evne til præcist at detektere informationen i sådanne svækkede signaler.

Signalimpulsen kan aftage, indtil den er så svag som nogle få fotoner - eller endda mindre end én i gennemsnit. På det tidspunkt, uundgåelige tilfældige kvanteudsving kaldet "skudstøj" gør nøjagtig modtagelse umulig ved normal ("klassisk, " i modsætning til kvanteteknologi, fordi usikkerheden forårsaget af støjen udgør en så stor del af det formindskede signal. Som følge heraf, eksisterende systemer skal forstærke signalerne gentagne gange langs transmissionslinjen, til betydelige energiomkostninger, holde dem stærke nok til at detektere pålideligt.

NIST-teamets system kan eliminere behovet for forstærkere, fordi det pålideligt kan behandle selv ekstremt svage signalimpulser:"Den samlede energi, der kræves for at transmittere en bit, bliver en fundamental faktor, der hindrer udviklingen af ​​netværk, " sagde Sergey Polyakov, seniorforsker på NIST-holdet. "Målet er at reducere summen af ​​energi, der kræves af lasere, forstærkere, detektorer, og støtteudstyr til pålideligt at overføre information over længere afstande. I vores arbejde her demonstrerede vi, at ved hjælp af kvantemåling kan selv svage laserimpulser bruges til at kommunikere flere informationsbidder - et nødvendigt skridt mod dette mål."

For at øge hastigheden, hvormed information kan overføres, netværksforskere er ved at finde måder at kode mere information pr. puls på ved at bruge yderligere egenskaber for lysbølgen. Så en enkelt laserlyspuls, afhængigt af hvordan det oprindeligt blev forberedt til transmission, kan bære flere bits af data. For at forbedre detektionsnøjagtigheden, Kvanteforstærkede modtagere kan monteres på klassiske netværkssystemer. Til dato, disse hybridkombinationer kan behandle op til to bits pr. impuls. NIST kvantesystemet bruger op til 16 forskellige laserimpulser til at kode så mange som fire bits.

For at demonstrere denne evne, NIST-forskerne skabte et input af svage laserimpulser, der kan sammenlignes med et væsentligt dæmpet konventionelt netværkssignal, med det gennemsnitlige antal fotoner pr. impuls fra 0,5 til 20 (selvom fotoner er hele partikler, et tal mindre end én betyder blot, at nogle pulser ikke indeholder fotoner).

Efter at have forberedt dette indgangssignal, NIST-forskerne udnytter dets bølgelignende egenskaber, såsom interferens, indtil den til sidst rammer detektoren som fotoner (partikler). I kvantefysikkens område, lys kan fungere som enten partikler (fotoner) eller bølger, med egenskaber som frekvens og fase (de relative positioner af bølgetoppene).

Inde i modtageren, indgangssignalets pulstog kombinerer (interfererer) med en separat, justerbar reference laserstråle, som styrer frekvensen og fasen af ​​den kombinerede lysstrøm. Det er ekstremt svært at læse de forskellige kodede tilstande i et så svagt signal. Så NIST-systemet er designet til at måle egenskaberne af hele signalimpulsen ved at forsøge at matche egenskaberne af referencelaseren nøjagtigt til den. Forskerne opnår dette gennem en række successive målinger af signalet, som hver især øger sandsynligheden for et nøjagtigt match.

Det gøres ved at justere frekvensen og fasen af ​​referenceimpulsen, så den interfererer destruktivt med signalet, når de kombineres ved stråledeleren, annullerer signalet fuldstændigt, så ingen fotoner kan detekteres. I denne ordning, skudstøj er ikke en faktor:Total annullering har ingen usikkerhed.

Dermed, kontraintuitivt, en perfekt nøjagtig måling resulterer i, at ingen foton når detektoren. Hvis referenceimpulsen har den forkerte frekvens, en foton kan nå detektoren. Modtageren bruger tiden for den pågældende fotondetektion til at forudsige den mest sandsynlige signalfrekvens og justerer frekvensen af ​​referenceimpulsen i overensstemmelse hermed. Hvis denne forudsigelse stadig er forkert, detektionstiden for den næste foton resulterer i en mere nøjagtig forudsigelse baseret på begge fotondetektionstider, og så videre.

"Når signalet interagerer med referencestrålen, sandsynligheden for at opdage en foton varierer i tid, " sagde Burenkov, "og følgelig indeholder fotondetektionstiderne information om inputtilstanden. Vi bruger den information til at maksimere chancen for at gætte korrekt efter den allerførste fotondetektion.

"Vores kommunikationsprotokol er designet til at give forskellige tidsmæssige profiler for forskellige kombinationer af signalet og referencelyset. Så kan detektionstiden bruges til at skelne mellem inputtilstandene med en vis sikkerhed. Sikkerheden kan være ret lav i begyndelsen, men det er forbedret under hele målingen. Vi ønsker at skifte referenceimpulsen til den rigtige tilstand efter den allerførste fotondetektion, fordi signalet kun indeholder nogle få fotoner, og jo længere vi måler signalet med den korrekte reference, jo bedre er vores tillid til resultatet."

Polyakov diskuterede de mulige anvendelser. "Internettets fremtidige eksponentielle vækst vil kræve et paradigmeskifte i teknologien bag kommunikation, " sagde han. "Kvantemåling kunne blive denne nye teknologi. Vi demonstrerede rekordlave fejlfrekvenser med en ny kvantemodtager parret med den optimale kodningsprotokol. Vores tilgang kan reducere energien til telekommunikation betydeligt."