Natuurfysica vandaag, Maandag, 23 januari 2017, online gepubliceerd het onderzoek door een team onder leiding van natuurkundigen van de School of Physics van Wits University. In hun artikel getiteld:Characterizing quantum channels with non-separable state of classic light demonstreren de onderzoekers het verrassende resultaat dat de natuur soms het verschil niet kan zien tussen bepaalde soorten laserstralen en kwantumverstrengelde fotonen.

In essentie, het onderzoek toont aan dat de natuur soms het verschil niet kan zien tussen de kwantum- en de klassieke (of echte) wereld, en dat er een grijs gebied bestaat tussen de twee werelden die klassieke verstrengeling worden genoemd.

Klassieke en kwantumwerelden

De huidige communicatiesystemen zijn erg snel, maar niet fundamenteel veilig. Om ze te beveiligen, gebruiken onderzoekers de natuurwetten voor codering door gebruik te maken van de eigenzinnige eigenschappen van de kwantumwereld, zoals in het geval van het gebruik van Quantum Key Distribution (QKD) voor beveiligde communicatie.

"Quantum" verwijst naar het kleine, en in de fotonicawereld betekent dit één foton - een enkel lichtdeeltje. De regels van de kwantumwereld verschillen enorm van die van de klassieke wereld, en experimenten zijn traditioneel veel moeilijker vanwege de moeilijkheid om met slechts een paar fotonen om te gaan.

"In de klassieke wereld klopt onze intuïtie. Er zijn geen verrassingen en experimenten kunnen worden gedaan met veel fotonen (miljarden en miljarden), zoals laserlicht, " legt professor Andrew Forbes uit, teamleider van de samenwerking en Distinguished Professor aan de School of Physics waar hij leiding geeft aan het Wits Structured Light Laboratory.

"Maar niet zo in de kwantumwereld, waar de dingen nooit helemaal zijn zoals ze lijken. Hier lijken golven soms op deeltjes, deeltjes zoals golven, en metingen veranderen de eigenschappen van datgene wat je probeert te meten."

Realtime kwantumfoutcorrectie is mogelijk

Nu hebben onderzoekers aangetoond dat er een grijs gebied is waar de natuur het verschil tussen het klassieke en het kwantum niet kan zien. Dit opent de mogelijkheid om eerst kwantumexperimenten uit te voeren met een type klassiek licht dat "klassiek verstrengeld" licht wordt genoemd.

Bijvoorbeeld, het opzetten van een veilige kwantumcommunicatieverbinding over lange afstand is een grote uitdaging:"Quantumverbindingen (zoals in glasvezel) die gebruik maken van lichtpatronen kwijnen weg op korte afstanden, juist omdat er geen manier is om de verbinding te beschermen tegen ruis (interferentie van, bijvoorbeeld, mist of een bocht in een kabel) zonder de fotonen te detecteren. Nog, zodra ze worden ontdekt, wordt hun bruikbaarheid vernietigd, ', zegt Forbes.

Deze catch 22-situatie was een schijnbaar onoverkomelijk obstakel. Nu heeft het team aangetoond dat dit kan worden overwonnen met behulp van klassieke (veel foton) lichtvelden, waardoor realtime kwantumfoutcorrectie mogelijk is.

Door een zogenaamde "klassiek verstrengelde" straal voor te bereiden en te verzenden, kon het team aantonen dat dit identiek was aan het verzenden van een kwantumtoestand. Dit betekent dat het waargenomen verval van kwantumverstrengeling als gevolg van ruis in de link kan worden omgekeerd, de weg vrijmaken voor grote vooruitgang in veilige kwantumverbindingen in glasvezel en vrije ruimte.

"We hebben voor het eerst aangetoond dat klassiek licht kan worden gebruikt om een ​​kwantumlink te analyseren, fungeren als een direct equivalent van het gedrag van de kwantumtoestand, " zegt Bienvenu Ndagano, hoofdauteur en promovendus aan Wits University.

"Niet gelijk, of nabootsen, maar gelijkwaardig. Om dit te laten zien, we maakten gebruik van een bepaald type laserstraal, vectorstralen genoemd, die de eigenschap hebben dat ze niet te scheiden zijn en soms 'klassiek verstrengeld' worden genoemd."

Ndagano legt uit dat de wezenlijke eigenschap van kwantumverstrengeling de niet-scheidbaarheid van de staat is, wat betekent dat het ene deel van het systeem niet van het andere kan worden gescheiden. "Maar niet-scheidbaarheid is niet uniek voor de kwantumwereld:je kunt het vinden in weerkaarten waar de locaties op de kaart en de temperaturen op die locaties niet kunnen worden gescheiden."

Klassiek verstrikt licht

Meer intrigerend, klassieke vectorstralen hebben deze eigenschap ook, die het team "klassiek verstrengeld" licht noemt.

zegt Forbes, "Wat we vroegen was:betekent dit dat klassiek licht kan worden gebruikt in kwantumsystemen - een grijs gebied tussen de twee werelden die we klassieke verstrengeling noemen?".

"Het idee van klassieke verstrengeling wordt fel bestreden in de natuurkundegemeenschap, waarbij sommigen beweren dat het slechts een wiskundige constructie is, " zegt Thomas Konrad (UKZN), co-auteur op het papier. "Dit werk laat zien dat het ook een fysieke betekenis heeft, en we bieden de eerste zij-aan-zij gegevens van de equivalentie van klassieke en kwantumverstrengeling".

Eerder, om een ​​fout te herstellen in de kwantumtoestand die wordt gebruikt voor veilige communicatie, zou het meten van het verzonden foton betekenen, wat op zijn beurt zou betekenen dat de informatie die men probeerde te verzenden, verloren zou gaan.

Dit werk maakt het mogelijk om kwantumverbindingen over lange afstanden tot stand te brengen en te testen met klassiek verstrengeld licht:aangezien er in het klassieke licht geen tekort is aan fotonen, alle metingen die nodig zijn om de fouten in de kwantumtoestand te herstellen, kunnen in realtime worden gedaan zonder de kwantuminformatie te vernietigen.

Dus, realtime foutcorrectie is mogelijk omdat je experimenten kunt uitvoeren in de klassieke wereld die je zullen vertellen hoe je de fout in de kwantumwereld kunt oplossen.

Snelle en veilige gegevensoverdracht via real-world link

Het team werkt eraan om zoveel mogelijk informatie in fotonen te verpakken met behulp van lichtpatronen als middel om de informatie te coderen. Omdat er een onbeperkt aantal patronen is, de hoeveelheid informatie die veilig kan worden verzonden is in principe ook minimaal onbeperkt.

Hoewel alle patronen gelijkwaardig zijn in termen van informatiecapaciteit, dit werk suggereert dat de keuze van het patroon ook een belangrijke rol speelt bij het analyseren en corrigeren van de fouten die optreden bij het passeren van de link.

"Door in dit grijze gebied tussen het klassieke en het kwantum te werken, kunnen we snelle en veilige gegevensoverdracht via real-world links laten zien, ', zegt Forbes.