Nature Communications publicerad forskning av ett internationellt team från Wits och ICFO-The Institute of Photonic Sciences, som visar den teleportationsliknande transporten av "mönster" av ljus – detta är det första tillvägagångssättet som kan transportera bilder över ett nätverk utan att fysiskt skicka bilden och en avgörande steg mot att förverkliga ett kvantnätverk för högdimensionella intrasslade tillstånd.
Kvantkommunikation över långa avstånd är en integrerad del av informationssäkerheten och har visats med tvådimensionella tillstånd (qubits) över mycket långa avstånd mellan satelliter. Detta kan tyckas vara tillräckligt om vi jämför det med dess klassiska motsvarighet, det vill säga att skicka bitar som kan kodas i 1:or (signal) och 0:or (ingen signal), en i taget.
Kvantoptik gör det dock möjligt för oss att öka alfabetet och säkert beskriva mer komplexa system i en enda bild, som ett unikt fingeravtryck eller ett ansikte.
"Traditionellt skickar två kommunicerande parter fysiskt informationen från den ena till den andra, även i kvantvärlden", säger prof. Andrew Forbes, ledande PI från Wits University.
"Nu är det möjligt att teleportera information så att den aldrig fysiskt färdas över anslutningen - en "Star Trek"-teknik som gjorts verklig." Tyvärr har teleportering hittills bara demonstrerats med tredimensionella tillstånd (föreställ dig en trepixelbild), och behöver därför ytterligare intrasslade fotoner för att nå högre dimensioner.
I denna forskning utförde teamet den första experimentella demonstrationen av kvanttransporten av högdimensionella tillstånd med bara två intrasslade fotoner som en kvantresurs, vilket resulterade i att informationen såg ut att vara "teleporterad" från avsändaren till mottagaren. För att göra framsteg använde teamet en olinjär optisk detektor som kringgår behovet av ytterligare fotoner men ändå fungerar för alla "mönster" som behöver skickas.
De rapporterar en ny toppmodern med 15 dimensioner, med schemat skalbart till ännu högre dimensioner, vilket banar väg för kvantnätverksanslutningar med hög informationskapacitet.
Föreställ dig en kund som vill skicka känslig information till en bank – ett fingeravtryck kanske. Vid traditionell kvantkommunikation ska informationen skickas fysiskt från kunden till banken, alltid med risk för avlyssning (även om den är säker). I det nyligen föreslagna kvanttransportsystemet skickar banken en enskild foton (en av ett intrasslat par) utan information till kunden, som överlappar den på en olinjär detektor med informationen som ska skickas.
Som ett resultat av detta dyker informationen upp på banken precis som om den hade teleporterats dit. Ingen information skickas någonsin fysiskt mellan de två parterna, så avlyssning är fruktlös, medan kvantlänken som förbinder parterna upprättas genom utbyte av kvantintrasslade fotoner.
"Det här protokollet har alla kännetecken för teleportering förutom en viktig ingrediens:det kräver en ljus laserstråle för att göra den olinjära detektorn effektiv så att avsändaren kan veta vad som ska skickas, men behöver inte veta", förklarar Forbes .
"I den här meningen är det inte strikt teleportering, men det kan bli i framtiden om den olinjära detektorn kunde göras mer effektiv." Även som det ser ut nu, öppnar det en ny väg för att ansluta kvantnätverk, vilket inleder olinjär kvantoptik som en resurs.
"Vi hoppas att det här experimentet som visar processens genomförbarhet motiverar ytterligare framsteg i den icke-linjära optikgemenskapen genom att tänja på gränserna mot en fullständig kvantimplementering", säger Dr. Adam Vallés från ICFO (Barcelona), en av de ledande i projektet som arbetade med experimentet under sin postdoktorala stipendium vid Wits.
"Vi måste vara försiktiga nu, eftersom den här konfigurationen inte kunde hindra en fuskande avsändare från att behålla bättre kopior av informationen som ska teleporteras, vilket innebär att vi skulle kunna få många Mr Spock-kloner i Star Trek-världen om det är vad Scotty är önskas."
"Från en praktisk synvinkel kan den konfiguration som vi för närvarande visar redan användas för att etablera en högdimensionell säker kanal för kvantkommunikation mellan två parter, förutsatt att protokollet inte behöver matas med enstaka fotoner, vilket skulle vara fallet för kvantrepeaters."
Vallés tillägger, "Att utföra sådana proof-of-concept-experiment med för närvarande tillgänglig teknologi har varit en intressant resa, och vi har Dr. Bereneice Sephton från Wits att tacka för hennes beslutsamhet och den omfattande kompetens som behövs för att tämja ett sådant experimentellt odjur. är en verklig laboratorieinsats som hon bör hyllas för."
Forbes upprepar känslan, "Detta var ett heroiskt experiment, och Dr. Bereneice Sephton måste erkännas eftersom hon är den som fick systemet att fungera och utförde nyckelexperimenten."
Teamet planerar att fortsätta arbeta i denna riktning, med nästa steg med fokus på kvanttransport över ett optiskt fibernätverk.
Mer information: Bereneice Sephton et al, Kvanttransport av högdimensionell rumslig information med en icke-linjär detektor, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43949-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Wits University
