Den inkommande signalen (röd, nedre vänster) fortsätter genom en stråldelare till fotondetektorn, som har ett bifogat tidsregister (överst till höger). Mottagaren skickar referensstrålen till stråldelaren för att avbryta den inkommande pulsen så att inget ljus detekteras. Om ens en foton detekteras, det betyder att mottagaren använde en felaktig referensstråle, som behöver justeras. Mottagaren använder exakta tider för fotondetektion för att komma fram till rätt justering med färre gissningar. Kombinationen av registrerade detektionstider och historiken för referensstrålefrekvenser används för att hitta frekvensen för den inkommande signalen. Kredit:NIST
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utarbetat och demonstrerat ett system som dramatiskt kan öka prestandan hos kommunikationsnätverk samtidigt som det möjliggör rekordlåga felfrekvenser vid detektering av även de svagaste signalerna, potentiellt minska den totala mängden energi som krävs för toppmoderna nätverk med en faktor 10 till 100.
Principbevissystemet består av en ny mottagare och motsvarande signalbehandlingsteknik som, till skillnad från de metoder som används i dagens nätverk, är helt baserade på kvantfysikens egenskaper och kan därmed hantera även extremt svaga signaler med pulser som bär många bitar av data.
"Vi byggde kommunikationstestbädden med hjälp av vanliga komponenter för att visa att kvantmätningsaktiverad kommunikation potentiellt kan skalas upp för utbredd kommersiell användning, sade Ivan Burenkov, en fysiker vid Joint Quantum Institute, ett forskningspartnerskap mellan NIST och University of Maryland. Burenkov och hans kollegor rapporterar resultaten i Fysisk granskning X Quantum . "Vår ansträngning visar att kvantmätningar andra värdefulla, hittills oförutsedda fördelar för telekommunikation som leder till revolutionerande förbättringar av kanalbandbredd och energieffektivitet."
Moderna kommunikationssystem fungerar genom att omvandla information till en lasergenererad ström av digitala ljuspulser där information kodas – i form av förändringar av ljusvågornas egenskaper – för överföring och sedan avkodas när den når mottagaren. Pulståget blir svagare när det färdas längs överföringskanaler, och konventionell elektronisk teknologi för att ta emot och avkoda data har nått gränsen för sin förmåga att exakt detektera informationen i sådana försvagade signaler.
Signalpulsen kan avta tills den är så svag som några få fotoner – eller till och med mindre än en i genomsnitt. Vid det tillfället, oundvikliga slumpmässiga kvantfluktuationer som kallas "shot brus" gör korrekt mottagning omöjlig av normala ("klassisk, " i motsats till kvantteknik eftersom osäkerheten som orsakas av bruset utgör en så stor del av den minskade signalen. Som ett resultat, befintliga system måste förstärka signalerna upprepade gånger längs överföringsledningen, till betydande energikostnader, hålla dem starka nog att upptäcka på ett tillförlitligt sätt.
NIST-teamets system kan eliminera behovet av förstärkare eftersom det tillförlitligt kan bearbeta även extremt svaga signalpulser:"Den totala energin som krävs för att sända en bit blir en fundamental faktor som hindrar utvecklingen av nätverk, sade Sergey Polyakov, senior forskare i NIST-teamet. "Målet är att minska summan av energi som krävs av lasrar, förstärkare, detektorer, och stödutrustning för att tillförlitligt överföra information över längre avstånd. I vårt arbete här visade vi att med hjälp av kvantmätning kan även svaga laserpulser användas för att kommunicera flera bitar av information - ett nödvändigt steg mot detta mål."
För att öka hastigheten med vilken information kan överföras, nätverksforskare hittar sätt att koda mer information per puls genom att använda ytterligare egenskaper hos ljusvågen. Så en enda laserljuspuls, beroende på hur den ursprungligen förbereddes för överföring, kan bära flera bitar av data. För att förbättra detektionsnoggrannheten, kvantförstärkta mottagare kan monteras på klassiska nätverkssystem. Hittills, dessa hybridkombinationer kan bearbeta upp till två bitar per puls. NIST-kvantsystemet använder upp till 16 distinkta laserpulser för att koda så många som fyra bitar.
För att visa den förmågan, NIST-forskarna skapade en ingång av svaga laserpulser jämförbara med en kraftigt dämpad konventionell nätverkssignal, med det genomsnittliga antalet fotoner per puls från 0,5 till 20 (även om fotoner är hela partiklar, ett antal mindre än ett betyder helt enkelt att vissa pulser inte innehåller några fotoner).
Efter att ha förberett denna insignal, NIST-forskarna drar fördel av dess vågliknande egenskaper, som störningar, tills den slutligen träffar detektorn som fotoner (partiklar). I kvantfysikens rike, ljus kan fungera som antingen partiklar (fotoner) eller vågor, med egenskaper som frekvens och fas (vågtopparnas relativa positioner).
Inuti mottagaren, ingångssignalens pulståg kombineras (störar) med en separat, justerbar referenslaserstråle, som styr frekvensen och fasen för den kombinerade ljusströmmen. Det är extremt svårt att läsa de olika kodade tillstånden i en så svag signal. Så NIST-systemet är utformat för att mäta egenskaperna hos hela signalpulsen genom att försöka matcha referenslaserns egenskaper exakt till den. Forskarna uppnår detta genom en serie successiva mätningar av signalen, var och en ökar sannolikheten för en korrekt matchning.
Det görs genom att justera referenspulsens frekvens och fas så att den stör signalen på ett destruktivt sätt när de kombineras vid stråldelaren, avbryter signalen helt så att inga fotoner kan upptäckas. I detta schema, skottljud är inte en faktor:Total annullering har ingen osäkerhet.
Således, kontraintuitivt, en perfekt exakt mätning resulterar i att ingen foton når detektorn. Om referenspulsen har fel frekvens, en foton kan nå detektorn. Mottagaren använder tiden för den fotondetektionen för att förutsäga den mest sannolika signalfrekvensen och justerar referenspulsens frekvens därefter. Om den förutsägelsen fortfarande är felaktig, detektionstiden för nästa foton resulterar i en mer exakt förutsägelse baserat på båda fotondetektionstiderna, och så vidare.
"När signalen interagerar med referensstrålen, sannolikheten att detektera en foton varierar med tiden, Burenkov sa, "och följaktligen innehåller fotondetektionstiderna information om ingångstillståndet. Vi använder den informationen för att maximera chansen att gissa rätt efter den allra första fotondetektionen.
"Vårt kommunikationsprotokoll är utformat för att ge olika tidsprofiler för olika kombinationer av signalen och referensljuset. Sedan kan detekteringstiden användas för att med viss säkerhet skilja mellan ingångstillstånden. Säkerheten kan vara ganska låg till en början, men det förbättras under hela mätningen. Vi vill växla referenspulsen till rätt tillstånd efter den allra första fotondetektionen eftersom signalen bara innehåller några få fotoner, och ju längre vi mäter signalen med rätt referens, desto bättre är vårt förtroende för resultatet."
Polyakov diskuterade möjliga tillämpningar. "Den framtida exponentiella tillväxten av internet kommer att kräva ett paradigmskifte i tekniken bakom kommunikation, " sade han. "Kvantmätning kan bli denna nya teknik. Vi visade rekordlåga felfrekvenser med en ny kvantmottagare parad med det optimala kodningsprotokollet. Vårt tillvägagångssätt kan avsevärt minska energin för telekommunikation."
