(Phys.org)—För första gången, fysiker har visat att hyperentrasslade fotoner kan överföras i fritt utrymme, vilket de visade genom att skicka många tusen av dessa fotoner mellan hustaken på två byggnader i Wien. Hyperentanglement innebär att fotonerna samtidigt är intrasslade i minst två olika egenskaper - i detta experiment, forskarna kombinerade två tvådimensionellt intrasslade egenskaper för att uppnå fyrdimensionell hyperentanglement.

Genom att visa att överföring av hyperentanglement är möjlig i den verkliga världen och inte bara i labbet, fysikerna förväntar sig att demonstrationen en dag skulle kunna skalas upp för att etablera ett mycket säkert kvantinternet som använder satelliter för att snabbt och säkert överföra kvantinformation över hela världen.

fysikerna, ledd av Rupert Ursin vid Institutet för kvantoptik och kvantinformation (IQOQI) vid Österrikiska vetenskapsakademin i Wien, har publicerat en artikel om distributionen av hyperentanglement via atmosfäriska frirumslänkar i ett färskt nummer av Naturkommunikation .

Hyperentangled tillstånd har flera fördelar jämfört med stater med endast en intrasslad egenskap, inklusive högre datahastigheter och förbättrade säkerhetsnivåer inom kvantkommunikation. Än så länge, dock, experiment som involverar hyperentanglement har bara visats i skyddade laboratoriemiljöer över korta avstånd. Möjligheten att överföra hyperentrasslade tillstånd via optiska lediga utrymmeslänkar kommer att möjliggöra överföring över längre avstånd än vad som är möjligt med användning av optiska fibrer på marken.

Som fysikerna förklarar, den enklaste typen av intrassling mellan fotoner är polarisationssammantrassling. Vid mätning, en foton kommer att uppvisa ett av två polarisationstillstånd (vertikalt eller horisontellt), producerar tvådimensionell intrassling i polarisationsgraden av frihet. Vid tvådimensionell polarisationskodning, varje foton är begränsad till att koda högst en qubit.

Men det finns andra sätt att trassla in fotoner, och dessa metoder kan kombineras med polarisationsintrassling för att uppnå hyperentrasslade fotoner, som har potential att lagra flera qubits.

I det nya verket, fysikerna kombinerade polarisationsentanglement med en andra sorts intrassling som kallas energi-tid-entanglement, som involverar emissionstiden för fotonparet och kan anta många möjliga värden, resulterar i många högre dimensioner. I detta experiment, av tekniska skäl, fysikerna använde bara två särskilda emissionstider, "tidigt" och "sent, " motsvarande två frihetsgrader. När de kombineras, de två typerna av intrassling gjorde det möjligt för forskarna att skapa fyradimensionella hyperentrasslade tillstånd.

"Vi kodade qubits i två egenskaper hos fotonen samtidigt, " berättade medförfattare Fabian Steinlechner vid Österrikiska vetenskapsakademin Phys.org . "Vi kodade en qubit i den välstuderade polarisationsgraden av frihet, och en annan i tids-energigraden av frihet, som ännu inte hade visat sig tåla överföring via en turbulent friutrymmeslänk. På så sätt fördubblade vi mängden intrassling per foton jämfört med tidigare experiment över verkliga optiska länkar. Att öka dimensionaliteten av intrassling och sända högdimensionell intrassling under verkliga atmosfäriska länkförhållanden är ett viktigt steg mot mer effektiva och praktiska kvantkommunikationssystem."

Den hyperentrasslade fotonkällan, som genererar par av hyperentrasslade fotoner, fanns i ett laboratorium vid IQOQI i Wien. För att visa hyperentanglement distribution, forskarna lagrade en foton från varje hypertrasslat par i labbet och skickade den andra fotonen i varje par genom en optisk fiber till ett sändarteleskop på byggnadens tak. Teleskopet sände sedan den fotonen i fritt utrymme till en mottagare på taket av en annan byggnad som ligger 1,2 km bort, som samlade fotonerna och verifierade deras hyperentanglement.

Även om atmosfärisk turbulens gjorde att transmissionseffektiviteten hos de hyperentrasslade fotonerna varierade, och ungefär hälften av de distribuerade fotonerna gick förlorade på grund av absorption av de optiska komponenterna, forskarna upptäckte fortfarande framgångsrikt omkring 20, 000 fotonpar per sekund. Resultaten visar, för första gången, möjligheten att använda energi-tid/polarisationshypertrassling i verkliga förhållanden. Forskarna ser nu fram emot att utveckla applikationer som utnyttjar fördelarna med hyperentanglement.

"Hyperentrassling, samtidig intrassling i flera frihetsgrader, kan användas för att koda flera intrasslade qubits per foton, " sa medförfattare Sebastian Ecker vid Österrikiska vetenskapsakademin. "Vi hänvisar till detta som högdimensionell förveckling. Att öka dimensionaliteten av intrassling lovar högre datahastigheter och förbättrade säkerhetsnivåer inom kvantkryptografi, eftersom försök att kopiera högdimensionella kvanttillstånd resulterar i större fel jämfört med tvådimensionell kodning, vilket gör det lättare att upptäcka en avlyssnare. Vidare, vissa transformationer är lättare att åstadkomma när kvanttillstånd är kodade i flera frihetsgrader, som kan göra kvantinformationsbearbetningsprotokoll, såsom kvantteleportation och tät kodning, lättare att implementera i praktiken."

I framtiden, fysikerna hoppas kunna öka dimensionaliteten långt bortom fyra dimensioner, driva mängden kvantinformation som kan överföras av en enda foton till dess yttersta gränser. Detta kan avsevärt öka datahastigheterna i framtida satellitexperiment.

"I vårt experiment, vi använde två dimensioner av tid-energirummet, " sa Steinlechner. "Men, till skillnad från polarisering, tids-energi-förveckling är inte fundamentalt begränsad till två möjliga tillstånd och dess potentiella dimensionalitet är storleksordningar större."

Om hyperentanglement kan överföras högre upp i rymden, det skulle också öppna möjligheter för nya typer av fundamentala fysikexperiment. Dessa kan inkludera att undersöka gravitationsinducerad kollaps av vågfunktionen och kvantinformationsbehandling under relativistiska förhållanden.

© 2017 Phys.org