Isaac Nape, en framväxande sydafrikansk talang i studiet av kvantoptik, är en del av ett team av Wits -fysiker som ledde en internationell studie som avslöjade de dolda strukturerna i kvantintrasslade stater. Studien publicerades i den berömda vetenskapliga tidskriften, Naturkommunikation , på fredag, 27 augusti 2021.

Nape fortsätter sin doktorsexamen. vid Wits University och fokuserar på att utnyttja strukturerade ljusmönster för högdimensionell informationskodning och avkodning för användning i kvantkommunikation.

Tidigare i år kammade han hem två utmärkelser vid South African Institute of Physics (SAIP) konferens för att lägga till sin växande samling av utmärkelser inom området optik och fotonik. Han vann priset för "Bästa Ph.D. muntliga presentation i tillämpad fysik, " och vann tillsammans priset för "Bästa Ph.D. muntlig presentation i fotonik."

I maj, han tilldelades också det prestigefyllda 2021 Optics and Photonics Education Scholarship från SPIE, det internationella samhället för optik och fotonik, för hans potentiella bidrag till optikområdet, fotonik eller relaterat område.

Snabbare och säkrare datoranvändning

Nu Nape och hans kollegor på Wits, tillsammans med samarbetspartners från Skottland och Taiwan erbjuder ett nytt och snabbt verktyg för kvantberäkning och kommunikation. "Kvanttillstånd som är intrasslade i många dimensioner är nyckeln till våra nya kvanttekniker, där fler dimensioner innebär en högre kvantbandbredd (snabbare) och bättre motståndskraft mot brus (säkerhet), avgörande för både snabb och säker kommunikation och snabbare vid felfri kvantberäkning.

"Vad vi har gjort här är att uppfinna ett nytt tillvägagångssätt för att undersöka dessa" högdimensionella "kvanttillstånd, minskar mättiden från decennier till minuter, " Nape förklarar.

Nape arbetade med den framstående professorn Andrew Forbes, ledande utredare för denna studie och chef för Structured Light Laboratory vid School of Physics på Wits, samt postdoktor Dr Valeria Rodriguez-Fajardo, besökande taiwanesiska forskaren Dr Hasiao-Chih Huang, och Dr Jonathan Leach och Dr Feng Zhu från Heriot-Watt University i Skottland.

Är du kvant eller inte?

I deras artikel med titeln "Mätning av dimensionalitet och renhet av högdimensionella intrasslade tillstånd, "teamet beskrev ett nytt tillvägagångssätt för kvantmätning, testar den på ett 100-dimensionellt kvanttrasslat tillstånd.

Med traditionella metoder, mättiden ökar ogynnsamt med dimensionen, så att det skulle ta decennier att reda ut ett 100-dimensionellt tillstånd med en full kvanttillståndstomografi. Istället, teamet visade att kvantsystemets framträdande information – antalet insnärjda dimensioner och deras renhetsnivå – kunde härledas på bara några minuter. Det nya tillvägagångssättet kräver bara enkla projektioner som enkelt kan göras i de flesta laboratorier med konventionella verktyg. Med ljus som exempel, teamet använder ett helt digitalt tillvägagångssätt för att utföra mätningarna.

Problemet, förklarar Nape, är att medan högdimensionella tillstånd lätt kan skapas, särskilt med intrasslade ljuspartiklar (fotoner), de är inte lätta att mäta – den befintliga verktygslådan för att mäta och kontrollera dem är nästan tom.

Du kan tänka på ett högdimensionellt kvanttillstånd som ansikten på en tärning. En konventionell tärning har sex ansikten, numrerade ett till sex, för ett sexdimensionellt alfabet som kan användas för beräkning eller för att överföra information i kommunikation. Att göra "högdimensionella tärningar" innebär att skapa tärningar med många fler ansikten:100 dimensioner är lika med 100 ansikten - en ganska komplicerad polygon.

"I vår vardagliga värld, det skulle vara lätt att räkna ansiktena för att veta vilken sorts resurs vi hade tillgängliga för oss, men inte så i kvantvärlden. I kvantvärlden, du kan aldrig se hela dö, så det är väldigt svårt att räkna ansiktena. Sättet vi kommer runt det här är att göra en tomografi, som de gör i den medicinska världen, bygga upp en bild från många, många skivor av föremålet, " förklarar Nape.

Men informationen i kvantobjekt kan vara enorm, så tiden för denna process är oöverkomlig. Ett snabbare tillvägagångssätt är en Bell-mätning, ett berömt test för att se om det du har framför dig är intrasslat, som att fråga det "är du quantum eller inte?" Men även om detta bekräftar tärningarnas kvantkorrelationer, det säger inte så mycket om antalet ansikten den har.

Chansupptäckt

"Vårt arbete kringgick problemet genom en tillfällig upptäckt, att det finns en uppsättning mätningar som inte är en tomografi och inte en Bell-mätning, men det innehåller viktig information om båda, " säger Nape. "På tekniskt språk, vi blandade dessa två mätmetoder för att göra flera projektioner som ser ut som en tomografi men som mäter synligheten av resultatet, som om de vore Bell-mått. Detta avslöjade den dolda informationen som kunde extraheras från styrkan i kvantkorrelationerna över många dimensioner."

Först och snabbt

Kombinationen av hastighet från det Bell-liknande tillvägagångssättet och information från det tomografiliknande tillvägagångssättet innebar att viktiga kvantparametrar som dimensionalitet och kvanttillståndets renhet kunde bestämmas snabbt och kvantitativt, det första sättet att göra det.

"Vi föreslår inte att vårt tillvägagångssätt ersätter andra tekniker, " säger Forbes. "Snarare, vi ser det som en snabb undersökning för att avslöja vad du har att göra med, och sedan använda denna information för att fatta ett välgrundat beslut om vad du ska göra härnäst. Ett fall av hästar för kurser."

Till exempel, laget ser deras tillvägagångssätt som att förändra spelet i verkliga kvantkommunikationslänkar, där en snabb mätning av hur bullrigt det kvanttillståndet har blivit och vad detta har gjort med de användbara dimensionerna är avgörande.