Het onderzoeksteam van de Universiteit van Wenen is erin geslaagd twee nieuwe records te breken tijdens het experimenteren met zogenaamde verwrongen lichtdeeltjes. deze resultaten, nu gepubliceerd in het tijdschrift PNAS , zijn niet alleen van fundamenteel belang, maar geven ook een hint naar de enorme informatiecapaciteit die een enkel lichtdeeltje kan bieden in toekomstige toepassingen.

Gedraaid licht

Steeds weer, eigenschappen van het licht verrassen de onderzoekswereld. Bijvoorbeeld, licht kan in een kurkentrekkerachtige vorm worden gebracht om zogenaamde "lichtschroeven" te produceren, als Anton Zeilinger, kwantumfysicus aan de Universiteit van Wenen, beschrijft. Het verbazingwekkende feit is dat je in principe een willekeurig aantal windingen kan opleggen aan elk individueel lichtdeeltje - fotonen genaamd. Hoe groter het aantal windingen, hoe groter het zogenaamde kwantumgetal waarmee het foton wordt beschreven. De resultaten van de Weense wetenschappers van het Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) aan de Universiteit van Wenen en het Institute of Quantum Optics and Quantum Information Vienna (IQOQI Vienna) van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen hebben nu gebruik gemaakt van deze functie in twee papieren, het breken van eerdere records over de transmissieafstand en de grootte van het kwantumgetal.

Gedraaid licht verzonden bericht over 143 kilometer

In principe, gedraaid licht kan een willekeurig grote hoeveelheid informatie per foton bevatten. Dit in tegenstelling tot de polarisatie van licht, die beperkt is tot één bit per foton. Bijvoorbeeld, datasnelheden tot 100 terabit per seconde, wat overeenkomt met ongeveer 120 Blu-Ray-schijven per seconde, zijn al bereikt onder laboratoriumomstandigheden. De transmissie onder realistische omstandigheden, echter, staat nog in de kinderschoenen. Naast transmissie over korte afstanden in speciale glasvezel, transmissie van dergelijke lichtstralen over de vrije ruimte, bijvoorbeeld nodig voor satellietcommunicatie, was tot nu toe beperkt tot drie kilometer; bereikt door hetzelfde Weense team twee jaar geleden.

In de huidige studie, het onderzoeksteam rond Anton Zeilinger en Mario Krenn laat zien dat informatie die in verwrongen licht is gecodeerd, zelfs na meer dan 100 kilometer nog steeds kan worden gereconstrueerd. Het experiment is uitgevoerd tussen de Canarische eilanden La Palma en Tenerife, dat is 143 kilometer verderop. "Het bericht 'Hallo wereld!' is gecodeerd op een groene laser met een optisch hologram, en gereconstrueerd met een kunstmatig neuraal netwerk op het andere eiland", legt Krenn uit, Promovendus in de groep van Zeilinger. Nadat is aangetoond dat deze lichteigenschappen in principe over lange afstanden behouden blijven, ze moeten nu worden gecombineerd met moderne communicatietechnologieën - een taak die al verschillende groepen over de hele wereld beginnen aan te pakken.

Kwantumverstrengeling met 5-cijferige kwantumgetallen

Samen met de onderzoeksgroep van Ping Koy Lam in Canberra, Australië, de Weense groep van Anton Zeilinger onderzocht ook hoe sterk enkele fotonen in de schroefachtige structuur kunnen worden gedraaid zonder duidelijke kwantumkenmerken te verliezen. Met andere woorden, houdt de kwantumfysica nog steeds de limiet van grote kwantumgetallen of nemen de klassieke natuurkunde en de alledaagse ervaring het weer over? Voor dit doeleinde, de onderzoekers maakten gebruik van een nieuwe techniek ontwikkeld door hun collega's in Australië. Daar, ze hebben een techniek ontwikkeld om zogenaamde spiraalfasespiegels te fabriceren om fotonen op een ongekend sterke manier te verdraaien en zo de kwantumgetallen tot enorme waarden te verhogen. de spiegels, op maat gemaakt voor het experiment in Wenen, het genereren van schroefachtige fotonen met kwantumgetallen van meer dan 10 mogelijk maken, 000, die honderd keer groter is dan in eerdere experimenten.

Aanvankelijk, de Weense onderzoekers genereerden verstrengelde fotonparen, d.w.z. twee lichtdeeltjes die schijnbaar met elkaar verbonden zijn ondanks dat ze op een willekeurige afstand van elkaar zijn gescheiden. Verstrengeling is het onderscheidende fenomeen in de kwantumfysica, die Einstein beschreef als "spookachtige actie op afstand". Na voltooiing van deze eerste stap, de onderzoekers verdraaiden vervolgens een van de fotonen met de Australische spiegels zonder de verstrengeling te vernietigen, daarmee aantonend dat de kwantumfysica zelfs geldt als 5-cijferige kwantumgetallen verstrengeld zijn. Hoewel gedreven door fundamentele vragen, toekomstige toepassingen kunnen nu al worden geanticipeerd. "De enorme complexiteit van de structuur van het licht is fascinerend en kan worden gezien als een intuïtieve indicatie over hoeveel informatie op een enkel foton moet passen", legt Robert Fickler uit, hoofdauteur van de studie en momenteel werkzaam als postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Ottawa, Canada.

Vandaar, in beide onderzoeken hebben de onderzoekers nieuwe records opgezet met "lichtschroeven" om fundamentele vragen te onderzoeken en de weg vrij te maken voor mogelijke toekomstige technologieën.