Sikker teleportering af billeder på tværs af et netværk med kun lys

Naturkommunikation offentliggjort forskning af et internationalt hold fra Wits og ICFO-The Institute of Photonic Sciences, som demonstrerer den teleportationslignende transport af "mønstre" af lys - dette er den første tilgang, der kan transportere billeder på tværs af et netværk uden fysisk at sende billedet og en afgørende skridt mod at realisere et kvantenetværk for højdimensionelle sammenfiltrede tilstande.

Kvantekommunikation over lange afstande er en integreret del af informationssikkerheden og er blevet demonstreret med todimensionelle tilstande (qubits) over meget lange afstande mellem satellitter. Dette kan synes nok, hvis vi sammenligner det med dets klassiske modstykke, dvs. at sende bits, der kan kodes i 1s (signal) og 0s (intet signal), én ad gangen.

Kvanteoptik giver os dog mulighed for at øge alfabetet og sikkert beskrive mere komplekse systemer i et enkelt skud, såsom et unikt fingeraftryk eller et ansigt.

"Traditionelt sender to kommunikerende parter fysisk information fra den ene til den anden, selv i kvanteverdenen," siger prof. Andrew Forbes, den ledende PI fra Wits University.

"Nu er det muligt at teleportere information, så den aldrig fysisk bevæger sig over forbindelsen - en 'Star Trek'-teknologi, der er virkeliggjort." Desværre er teleportering indtil videre kun blevet demonstreret med tredimensionelle tilstande (forestil dig et tre-pixel billede), og derfor har der brug for yderligere sammenfiltrede fotoner for at nå højere dimensioner.

I denne forskning udførte holdet den første eksperimentelle demonstration af kvantetransporten af ​​højdimensionelle tilstande med kun to sammenfiltrede fotoner som en kvanteressource, hvilket resulterede i, at informationen så ud til at være "teleporteret" fra afsenderen til modtageren. For at gøre fremskridtet brugte holdet en ikke-lineær optisk detektor, der omgår behovet for yderligere fotoner og alligevel fungerer for ethvert "mønster", der skal sendes.

De rapporterer om en ny state-of-the-art med 15 dimensioner, hvor ordningen kan skaleres til endnu højere dimensioner, hvilket baner vejen for kvantenetværksforbindelser med høj informationskapacitet.

Praktiske applikationer i en banksammenhæng

Forestil dig en kunde, der ønsker at sende følsomme oplysninger til en bank - måske et fingeraftryk. I traditionel kvantekommunikation skal informationen fysisk sendes fra kunden til banken, altid med risiko for aflytning (også selvom den er sikker). I det nyligt foreslåede kvantetransportsystem sender banken en enkelt foton (en af ​​et sammenfiltret par) uden information til kunden, som overlapper den på en ikke-lineær detektor med den information, der skal sendes.

Som følge heraf vises oplysningerne i banken, præcis som om de var blevet teleporteret dertil. Der sendes aldrig nogen fysisk information mellem de to parter, så aflytning er frugtesløs, mens kvanteforbindelsen, der forbinder parterne, etableres ved udveksling af kvantesammenfiltrede fotoner.

"Denne protokol har alle kendetegnene ved teleportation, bortset fra en væsentlig ingrediens:den kræver en lys laserstråle for at gøre den ikke-lineære detektor effektiv, så afsenderen kunne vide, hvad der skal sendes, men ikke behøver at vide det," forklarer Forbes .

"I denne forstand er det ikke strengt taget teleportering, men det kunne være i fremtiden, hvis den ikke-lineære detektor kunne gøres mere effektiv." Selv som det ser ud nu, åbner det en ny vej til at forbinde kvantenetværk og indvarsler ikke-lineær kvanteoptik som en ressource.

"Vi håber, at dette eksperiment, der viser gennemførligheden af ​​processen, motiverer yderligere fremskridt i det ikke-lineære optikmiljø ved at skubbe grænserne mod en fuld kvanteimplementering," siger Dr. Adam Vallés fra ICFO (Barcelona), en af ​​lederne på projektet, som arbejdede på eksperimentet under sit postdoc-stipendium på Wits.

"Vi skal være forsigtige nu, da denne konfiguration ikke kunne forhindre en snyd afsender i at beholde bedre kopier af de oplysninger, der skal teleporteres, hvilket betyder, at vi kan ende med mange Mr. Spock-kloner i Star Trek-verdenen, hvis det er hvad Scotty ønsket."

"Fra et praktisk synspunkt kan den konfiguration, som vi i øjeblikket viser, allerede bruges til at etablere en højdimensionel sikker kanal til kvantekommunikation mellem to parter, forudsat at protokollen ikke behøver at blive fodret med enkelte fotoner, som det ville være tilfældet for kvanterepeatere."

Anerkendende Ph.D. forskning

Vallés tilføjer:"At udføre sådanne proof-of-concept-eksperimenter med aktuelt tilgængelig teknologi har været en interessant rejse, og vi har Dr. Bereneice Sephton fra Wits at takke for hendes beslutsomhed og de omfattende færdigheder, der er nødvendige for at tæmme sådan et eksperimentelt udyr. er en sand laboratoriebestræbelse, som hun bør hyldes for."

Forbes gentager følelsen:"Dette var et heroisk eksperiment, og Dr. Bereneice Sephton må anerkendes, da hun er den, der fik systemet til at fungere og udførte nøgleeksperimenterne."

Holdet planlægger at fortsætte arbejdet i denne retning, med det næste trin med fokus på kvantetransport på tværs af et optisk fibernetværk.

Flere oplysninger: Bereneice Sephton et al., Kvantetransport af højdimensionel rumlig information med en ikke-lineær detektor, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43949-x

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Wits University