Kvantkoherens är en nyckelingrediens i många grundläggande tester och tillämpningar inom kvantteknologi, inklusive kvantkommunikation, bildbehandling, datoranvändning, avkänning och mätning. Dock, överföringen av kvantkoherens i fritt utrymme har hittills varit begränsad till direkta siktlinjer, eftersom atmosfärisk turbulens och spridning försämrar kvaliteten på koherensen kraftigt.

I en ny tidning publicerad i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , forskare från University of Waterloo har framgångsrikt visat överföring och återhämtning av kvant koherens med fotoner spridda i ledigt utrymme för första gången. Detta möjliggör nya forskningsmöjligheter och tillämpningar inom områden som sträcker sig från kvantkommunikation till avbildning och vidare.

"Förmågan att överföra kvantkoherens via spridda fotoner betyder att du nu kan göra många saker som tidigare krävde direkta siktlinjer med fria rymdkanaler, "sa Shihan Sajeed, huvudförfattare på tidningen och en postdoktor vid Institute for Quantum Computing (IQC) och vid Institutionen för fysik och astronomi vid University of Waterloo i Ontario, Kanada.

I vanliga fall, om du försöker skicka och ta emot fotoner genom luften (ledigt utrymme) för kvantkommunikation, eller något annat kvantkodat protokoll, du behöver en direkt siktlinje mellan sändare och mottagare. Alla föremål i den optiska vägen - så stora som en vägg eller så liten som en molekyl - kommer att reflektera vissa fotoner och sprida andra, beroende på ytans reflektionsförmåga. All kvantinformation som är kodad i fotonerna går vanligtvis förlorad i de spridda fotonerna, avbryter kvantkanalen.

Tillsammans med Thomas Jennewei, huvudutredare för Quantum Photonics-labbet vid IQC, Sajeed hittade ett sätt att koda kvantkoherens i par av fotonpulser skickade efter varandra, så att de skulle behålla sin koherens även efter spridning från en diffus yta.

Forskarna sände ut ett tåg av pulspar med en specifik faskoherens som kunde mätas från de spridda fotonerna med hjälp av kvantinterferens. De använde också en enkel-foton-detektor-array-sensor som, förutom att lösa vågfrontsförvrängningar orsakade av atmosfärisk turbulens, fungerade som en bildskapare, och därmed tillåta dem att observera enstaka fotoninterferens och avbildning samtidigt. De placerade detektorn där den bara skulle absorbera spridda fotoner från laserpulserna, och observerade en synlighet på över 90 %, vilket betyder att de spridda fotonerna bibehöll sin kvantkoherens även efter att de krossat mot ett föremål.

Deras nya teknik krävde anpassad hårdvara för att använda det koherenta ljus som de genererade. Den enda fotondetektormatrisen kunde detektera en miljard fotoner varje sekund, med en precision på 100 pikosekunder. Endast banbrytande tidsmärkningselektronik kunde hantera kraven från detta ljusflöde, och teamet fick designa sitt eget elektronikkort för att kommunicera mellan detektorerna och datorn som skulle bearbeta data.

"Vår teknik kan hjälpa till att avbilda ett objekt med kvantsignaler eller överföra ett kvantmeddelande i en bullrig miljö, " säger Sajeed. "Spridda fotoner som återvänder till vår sensor kommer att ha en viss koherens, medan buller i miljön inte kommer, och så kan vi avvisa allt utom fotonerna som vi ursprungligen skickade. "

Sajeed förväntar sig att deras resultat kommer att stimulera ny forskning och nya tillämpningar inom kvantavkänning, kommunikation, och avbildning i frirumsmiljöer. Duon demonstrerade kvantkommunikation och bildbehandling i sitt papper, men Sajeed sa att ytterligare forskning krävs för att ta reda på hur deras tekniker kan användas i olika praktiska tillämpningar.

"Vi tror att detta skulle kunna användas i kvantförstärkt LIDAR (Light Detection and Ranging), kvantavkänning, icke-line-of-sight avbildning, och många andra områden – möjligheterna är oändliga, sa Sajeed.