Naturfysik i dag, måndag, 23 januari 2017, publicerade online forskningen av ett team ledd av fysiker från School of Physics vid Wits University. I sin artikel med titeln:Characterizing quantum channels with non-separable states of classic light demonstrerar forskarna det häpnadsväckande resultatet att ibland kan naturen inte se skillnaden mellan särskilda typer av laserstrålar och kvantentangled photoner.

I huvudsak, forskningen visar att ibland kan naturen inte se skillnaden mellan kvantvärlden och den klassiska (eller verkliga) världen, och att det faktiskt finns en gråzon mellan de två världarna som kallas klassisk entanglement.

Klassiska och kvantvärldar

Nuvarande kommunikationssystem är mycket snabba, men inte i grunden säker. För att göra dem säkra använder forskare naturens lagar för kodning genom att utnyttja kvantvärldens udda egenskaper, som i fallet med användningen av Quantum Key Distribution (QKD) för säker kommunikation.

"Quantum" syftar på det lilla, och i fotonikvärlden betyder detta en foton - en enda partikel av ljus. Reglerna för kvantvärlden är väldigt olika från den klassiska världens, och experiment är traditionellt mycket svårare på grund av svårigheten att hantera bara några få fotoner.

"I den klassiska världen stämmer vår intuition. Det finns inga överraskningar och experiment kan göras med många fotoner (miljarder och miljarder av dem), som laserljus, " förklarar professor Andrew Forbes, teamledare för samarbetet och Distinguished Professor i School of Physics där han leder Wits Structured Light Laboratory.

"Men inte så i kvantvärlden, där saker och ting aldrig är riktigt som de verkar. Här ser vågor ibland ut som partiklar, partiklar som vågor, och mätningar förändrar egenskaperna hos just det du försöker mäta."

Kvantfelskorrigering i realtid är möjlig

Nu har forskare visat att det finns en gråzon där naturen inte kan se skillnad på klassiskt och kvantum. Detta öppnar möjligheten att först utföra kvantexperiment med en typ av klassiskt ljus som kallas "klassiskt intrasslat" ljus.

Till exempel, att etablera en säker kvantkommunikationslänk över långa avstånd är mycket utmanande:"Kvantlänkar (som i fiberoptik) som använder ljusmönster försvinner på korta avstånd just för att det inte finns något sätt att skydda länken mot brus (störningar från, till exempel, dimma eller en krök i en kabel) utan att detektera fotonerna. Än, när de väl upptäcks är deras användbarhet förstörd, säger Forbes.

Denna catch 22-situation har varit ett till synes oöverstigligt hinder. Nu har teamet visat att detta kan övervinnas med klassiska (många foton) ljusfält, möjliggör kvantfelskorrigering i realtid.

Genom att förbereda och skicka en så kallad "klassiskt intrasslad" stråle kunde teamet visa att detta var identiskt med att skicka ett kvanttillstånd. Detta innebär att det observerade kvantintrångsavfallet på grund av brus i länken kan vändas, banar väg för stora framsteg inom säkra kvantlänkar i fiber och ledigt utrymme.

"Vi visade för första gången att klassiskt ljus kan användas för att analysera en kvantlänk, fungerar som en direkt motsvarighet till beteendet i kvanttillståndet, " säger Bienvenu Ndagano, huvudförfattare och doktorand vid Wits University.

"Inte liknande, eller härma, men likvärdig. För att visa detta, vi utnyttjade en viss typ av laserstråle, kallas vektorstrålar, som har egenskapen att vara icke-separerbara och ibland kallas "klassiskt intrasslade".

Ndagano förklarar att kvantentrasslingens huvudsakliga egenskap är statens icke-separerbarhet, vilket innebär att en del av systemet inte kan separeras från den andra. "Men icke-separerbarhet är inte unik för kvantvärlden:du kan hitta den i väderkartor där platserna på kartan och temperaturerna på dessa platser inte kan separeras."

Klassiskt intrasslat ljus

Mer spännande, klassiska vektorstrålar har också denna egenskap, som teamet kallar "klassiskt intrasslat" ljus.

säger Forbes, "Vad vi frågade var:betyder detta att klassiskt ljus kan användas i kvantsystem - ett grått område mellan de två världarna som vi kallar klassisk entanglement?".

"Föreställningen om klassisk intrassling är hett omtvistad i fysiksamhället med vissa som hävdar att det bara är en matematisk konstruktion, säger Thomas Konrad (UKZN), medförfattare på tidningen. "Detta arbete visar att det också finns en fysisk mening med det, och vi erbjuder den första informationen sida vid sida om ekvivalensen mellan klassisk och kvantintrång".

Tidigare, att fixa ett fel i kvanttillståndet som används för säker kommunikation skulle innebära att mäta den skickade fotonen, vilket i sin tur skulle innebära att man förlorade informationen som man försökte skicka.

Detta arbete gör det möjligt för långdistanskvantlänkar att etableras och testas med klassiskt intrasslat ljus:eftersom det inte finns någon brist på fotoner i det klassiska ljuset, alla mätningar som behövs för att fixa felen i kvanttillståndet kan göras i realtid utan att förstöra kvantinformationen.

Således, felkorrigering i realtid är möjlig eftersom du kan köra experiment i den klassiska världen som kommer att berätta hur du åtgärdar felet i kvantvärlden.

Snabb och säker dataöverföring via en verklig länk

Teamet arbetar med att packa in så mycket information i fotoner med hjälp av ljusmönster som ett sätt att koda informationen. Eftersom det finns ett obegränsat antal mönster, mängden information som kan skickas säkert är också i princip åtminstone, obegränsat.

Även om alla mönster är likvärdiga när det gäller informationskapacitet, detta arbete antyder att valet av mönster också spelar en viktig roll för att analysera och korrigera de fel som upplevs genom att gå över länken.

"Genom att arbeta i denna gråzon mellan det klassiska och kvantumet kan vi visa snabb och säker dataöverföring över verkliga länkar, säger Forbes.