Ny forskning gjord vid University of the Witwatersrand i Johannesburg, Sydafrika, och Huazhang University of Science and Technology i Wuhan, Kina, har spännande implikationer för säker dataöverföring över optiska fibernätverk. Teamet har visat att flera kvantmönster av vridet ljus kan sändas över en konventionell fiberlänk som, paradoxalt, stöder endast ett mönster. Innebörden är ett nytt tillvägagångssätt för att förverkliga ett framtida kvantnätverk, utnyttjar flera dimensioner av intrasslat kvantljus.

Vetenskapens framsteg publicerade forskningen av ett team ledd av professor Andrew Forbes från School of Physics vid Wits University i samarbete med ett team som leds av professor Jian Wang vid HUST. I deras papper, med titeln "Multidimensionell intrasslingstransport genom singelmodsfiber, " forskarna visar ett nytt paradigm för att förverkliga ett framtida kvantnätverk. Teamet visade att flera ljusmönster är tillgängliga efter en kommunikationslänk av konventionell optisk fiber som paradoxalt nog bara kan stödja ett enda mönster. Teamet uppnådde detta kvanttrick genom att konstruera intrassling i två frihetsgrader av ljus, polarisering och mönster, passera den polariserade fotonen nerför fibern och komma åt de många mönstren med den andra fotonen.

"I huvudsak, forskningen introducerar konceptet att kommunicera över äldre fibernätverk med flerdimensionella intrasslade tillstånd, att sammanföra fördelarna med befintlig kvantkommunikation med polariserade fotoner med fördelarna med högdimensionell kommunikation med hjälp av ljusmönster, säger Forbes.

En ny twist, ett nytt paradigm

Nuvarande kommunikationssystem är mycket snabba, men inte i grunden säker. För att göra dem säkra använder forskare naturlagarna för kodning genom att utnyttja kvantvärldens egendomliga egenskaper, som i fallet med användningen av kvantnyckeldistribution (QKD) för säker kommunikation.

"Quantum" syftar här på den "läskiga handlingen på avstånd" som Einstein så avskyr:kvantförveckling. Under de senaste decennierna, kvantintrassling har undersökts omfattande för en mängd olika kvantinformationsprotokoll, framför allt gör kommunikationen säkrare genom QKD. Med hjälp av så kallade "qubits" (2D-kvanttillstånd), informationskapaciteten är begränsad, men det är lätt att uppnå sådana tillstånd över fiberlänkar med polarisering som en frihetsgrad för kodningen. Det rumsliga mönstret av ljus, dess mönster, är en annan grad av frihet som har fördelen av högdimensionell kodning. Det finns många mönster att använda, men tyvärr, detta kräver anpassad fiberoptisk kabel och är därför olämplig för befintliga nätverk. I detta arbete, teamet har hittat ett nytt sätt att balansera dessa två ytterligheter genom att kombinera polarisationskvantbitar med högdimensionella rumsliga lägen för att skapa flerdimensionella hybridkvanttillstånd.

"Knepet var att vrida den ena fotonen i polarisering och vrida den andra i mönster, bildar 'spiralljus' som är intrasslat i två frihetsgrader, " säger Forbes. "Eftersom den polarisationsintrasslade fotonen bara har ett mönster, det kan skickas ner i långdistanssingelmodsfibern (SMF), medan den vridna ljusfotonen kunde mätas utan fibern, åtkomst till flerdimensionella vridna mönster i det fria utrymmet. Dessa vridningar bär orbital vinkelmoment (OAM), en lovande kandidat för kodning av information."

Att övervinna de nuvarande utmaningarna

Kvantkommunikation med högdimensionella rumsliga lägen (t.ex. OAM-lägen) är lovande, men endast möjligt i specialdesignad multi-mode fiber, som, dock, är starkt begränsad av mod (mönster) kopplingsbrus. Singelmodsfiber är fri från denna "mönsterkoppling" (som försämrar intrassling) men kan endast användas för tvådimensionell polarisationstrassling.

"Nyheten i det publicerade verket är demonstrationen av multidimensionell intrasslingstransport i konventionell enkelmodsfiber. Ljuset vrids i två frihetsgrader:polarisationen vrids för att bilda spiralljus, och så är mönstret. Detta kallas spin-omloppskoppling, här utnyttjas för kvantkommunikation, " säger Forbes. "Varje sändning är fortfarande bara en qubit (2-D) men det finns ett oändligt antal av dem på grund av det oändliga antalet vridna mönster som vi skulle kunna trassla in i den andra fotonen."

Teamet visade överföring av flerdimensionella intrasslingstillstånd över 250 m enkelmodsfiber, visar att ett oändligt antal tvådimensionella delrum kan realiseras. Varje delutrymme kan användas för att skicka information, eller multiplexa information till flera mottagare.

"En konsekvens av detta nya tillvägagångssätt är att hela det högdimensionella OAM Hilbert-utrymmet kan nås, men två dimensioner åt gången. I någon mening är det en kompromiss mellan enkla 2D-metoder och sanna högdimensionella tillvägagångssätt, " säger Forbes. Viktigt, högdimensionella tillstånd är olämpliga för överföring över konventionella fibernät, Detta nya tillvägagångssätt gör att äldre nätverk kan användas.