Naturkommunikation publicerade idag forskning av ett team bestående av skotska och sydafrikanska forskare, demonstrerar förvikling byte och teleportation av orbitala vinkelmoment 'ljusmönster'. Detta är ett avgörande steg mot att förverkliga en kvantrepeterare för högdimensionella intrasslade tillstånd.

Kvantkommunikation över långa avstånd är en integrerad del av informationssäkerheten och har demonstrerats i fritt utrymme och fiber med tvådimensionella tillstånd, nyligen över avstånd som överstiger 1200 km mellan satelliter. Men om du bara använder två tillstånd minskar informationskapaciteten för fotonerna, så länken är säker men långsam. För att göra det säkert och snabbt krävs ett högre dimensionellt alfabet, till exempel, med hjälp av ljusmönster, varav det finns ett oändligt antal. En sådan mönsteruppsättning är ljusets orbitala vinkelmoment (OAM). Ökade bithastigheter kan uppnås genom att använda OAM som bärare av information. Dock, sådana fotontillstånd sönderfaller när de sänds över långa avstånd, till exempel, på grund av modkoppling i fiber eller turbulens i ledigt utrymme, vilket kräver ett sätt att förstärka signalen. Tyvärr är sådan "förstärkning" inte tillåten i kvantvärlden, men det är möjligt att skapa en analogi, kallas en kvantrepeater, i likhet med optiska fiberupprepare i klassiska optiska nätverk.

En integrerad del av en kvantrepeterare är möjligheten att trassla ihop två fotoner som aldrig har interagerat - en process som kallas "entanglement swapping". Detta åstadkoms genom att interferera två fotoner från oberoende intrasslade par, vilket resulterar i att de återstående två fotonerna trasslar in sig. Detta gör det möjligt att etablera intrassling mellan två avlägsna punkter utan att en foton behöver resa hela sträckan, vilket minskar effekterna av förfall och förlust. Det betyder också att du inte behöver ha en siktlinje mellan de två platserna.

Ett resultat av detta är att informationen om en foton kan överföras till den andra, en process som kallas teleportering. Som i science fiction -serien, Star Trek, där människor "strålar" från en plats till en annan, information "teleporteras" från en plats till en annan. Om två fotoner är intrasslade och du ändrar ett värde på en av dem, då ändras också den andra automatiskt. Detta händer även om de två fotonerna aldrig är anslutna och, faktiskt, finns på två helt olika platser.

I detta senaste arbete, laget utförde den första experimentella demonstrationen av trasselbyte och teleportation för ljusstatus i orbital vinkelmoment (OAM). De visade att kvantkorrelationer kunde upprättas mellan tidigare oberoende fotoner, och att detta kan användas för att skicka information över en virtuell länk. Viktigt, schemat är skalbart till högre dimensioner, banar väg för kvantkommunikation på långa avstånd med hög informationskapacitet.

Bakgrund

Nuvarande kommunikationssystem är mycket snabba, men inte i grunden säker. För att göra dem säkra använder forskare naturlagarna för kodningen genom att utnyttja de kvantiska världens egendomliga egenskaper. En sådan egenskap är intrassling. När två partiklar är intrasslade är de sammankopplade i en spöklik mening:en mätning på den ena ändrar omedelbart den andras tillstånd oavsett hur långt ifrån varandra de är. Entanglement är en av kärnresurserna som behövs för att realisera ett kvantnätverk.

Ändå är en säker kvantkommunikationslänk över långa avstånd mycket utmanande:kvantlänkar som använder ljusmönster försvinner på korta avstånd just för att det inte finns något sätt att skydda länken mot brus utan att detektera fotonerna, men när de väl upptäcks förstörs deras nytta. För att övervinna detta kan man ha en upprepande station på mellanliggande avstånd - detta gör att man kan dela information över ett mycket längre avstånd utan att informationen fysiskt behöver flöda över den länken. Kärningrediensen är att få oberoende fotoner att trassla ihop sig. Även om detta tidigare har visats med tvådimensionella tillstånd, i detta arbete visade teamet den första demonstrationen med OAM och i högdimensionella utrymmen.