University of Vienna forskargrupp har lyckats slå två nya rekord samtidigt som de experimenterade med så kallade vridna ljuspartiklar. Dessa resultat, nu publicerad i tidningen PNAS , är inte bara av grundläggande intresse utan ger också en antydan om den enorma informationskapacitet som en enda ljuspartikel kan erbjuda i framtida applikationer.

Vridet ljus

Gång på gång, ljusets egenskaper överraskar forskningsvärlden. Till exempel, ljus kan föras in i en korkskruvliknande form för att producera så kallade "ljusskruvar", som Anton Zeilinger, kvantfysiker vid universitetet i Wien, beskriver. Det fantastiska faktum är att man i princip kan införa valfritt antal lindningar på varje enskild ljuspartikel - kallade fotoner. Ju större antal lindningar, desto större är det så kallade kvanttalet med vilket fotonet beskrivs. Wienforskarnas resultat från Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) vid University of Vienna och Institute of Quantum Optics and Quantum Information Vienna (IQOQI Vienna) vid Österrikiska vetenskapsakademin har nu använt denna funktion i två papper, bryta tidigare rekord om överföringsavståndet och kvantantalets storlek.

Vridet ljus överförde budskap över 143 kilometer

I princip, vriden ljus kan bära en godtycklig stor mängd information per foton. Detta står i kontrast till polariseringen av ljus, som är begränsad till en bit per foton. Till exempel, datahastigheter på upp till 100 terabit per sekund, som motsvarar cirka 120 Blu-Ray-skivor per sekund, har redan uppnåtts under laboratorieförhållanden. Överföringen under realistiska förhållanden, dock, är fortfarande i sin linda. Förutom överföring över korta sträckor inom speciell fiberoptik, överföring av sådana ljusstrålar över ledigt utrymme, krävs till exempel för satellitkommunikation, var begränsad till tre kilometer hittills; uppnåddes av samma wienerlag för två år sedan.

I den aktuella studien, forskargruppen kring Anton Zeilinger och Mario Krenn visar att information som är kodad i förvrängt ljus fortfarande kan rekonstrueras även efter mer än 100 kilometer. Experimentet har genomförts mellan Kanarieöarna La Palma och Teneriffa, som är 143 kilometer bort. "Meddelandet" Hej världen! " har kodats på en grön laser med ett optiskt hologram, och rekonstrueras med ett artificiellt neuralt nätverk på den andra ön ", förklarar Krenn, Doktorand i Zeilingers grupp. Efter att ha visat att dessa ljusegenskaper i princip bibehålls över långa avstånd, de måste nu kombineras med modern kommunikationsteknik - en uppgift som redan flera grupper runt om i världen börjar ta itu med.

Kvantinvikling med 5-siffriga kvantnummer

Tillsammans med forskargruppen för Ping Koy Lam i Canberra, Australien, Anton Zeilingers wengrupp undersökte också hur starkt enstaka fotoner kan vridas in i den skruvliknande strukturen utan att förlora distinkta kvantdrag. Med andra ord, håller kvantfysiken fortfarande gränsen för stora kvantantal eller tar klassisk fysik och vardagliga erfarenheter över igen? För det här syftet, forskarna utnyttjade en ny teknik som utvecklats av sina kollegor i Australien. Där, de har etablerat en teknik för att tillverka så kallade spiralfasspeglar för att vrida fotoner på ett oöverträffat starkt sätt och på så sätt öka kvanttalen till enorma värden. Speglarna, skräddarsydda för experimentet i Wien, tillåta generering av skruvliknande fotoner med kvantnummer på mer än 10, 000, vilket är hundra gånger större än i tidigare experiment.

I början, de wienerska forskarna genererade intrasslade fotonpar, dvs två ljuspartiklar som till synes är anslutna trots att de separeras med ett godtyckligt avstånd. Förträngning är de distinkta fenomenen i kvantfysiken, som Einstein beskrev som "spöklik handling på avstånd". Efter genomförandet av detta första steg, forskarna vridde sedan en av fotonerna med de australiska speglarna utan att förstöra intrasslingen, vilket visar att kvantfysiken till och med håller om femsiffriga kvantnummer är intrasslade. Även om det drivs av grundläggande frågor, framtida applikationer kan redan förväntas. "Den enorma komplexiteten i ljusets struktur är fascinerande och kan ses som en intuitiv indikation om hur mycket information som ska passa på en enda foton", förklarar Robert Fickler, huvudförfattare till studien och arbetar för närvarande som postdoktor vid University of Ottawa, Kanada.

Därav, i båda studierna satte forskarna upp nya rekord med "ljusskruvar" för att undersöka grundläggande frågor samt bana väg för möjlig framtida teknik.