(Phys.org)—Voor de eerste keer, natuurkundigen hebben aangetoond dat hyperverstrengelde fotonen in de vrije ruimte kunnen worden uitgezonden, die ze lieten zien door vele duizenden van deze fotonen tussen de daken van twee gebouwen in Wenen te sturen. Hyperverstrengeling betekent dat de fotonen tegelijkertijd verstrengeld zijn in ten minste twee verschillende eigenschappen - in dit experiment, de onderzoekers combineerden twee tweedimensionaal verstrengelde eigenschappen om vierdimensionale hyperverstrengeling te bereiken.

Door aan te tonen dat hyperverstrengelingsoverdracht mogelijk is in de echte wereld en niet alleen in het laboratorium, de natuurkundigen verwachten dat de demonstratie op een dag kan worden opgeschaald om een ​​zeer veilig kwantuminternet tot stand te brengen dat satellieten gebruikt om snel en veilig kwantuminformatie over de hele wereld te verzenden.

de fysici, onder leiding van Rupert Ursin van het Instituut voor Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen in Wenen, hebben een artikel gepubliceerd over de verspreiding van hyperverstrengeling via atmosferische vrije-ruimteverbindingen in een recent nummer van Natuurcommunicatie .

Hyperverstrengelde toestanden hebben verschillende voordelen ten opzichte van toestanden met slechts één verstrengelde eigenschap, inclusief hogere datasnelheden en verbeterde beveiligingsniveaus in kwantumcommunicatie. Tot dusver, echter, experimenten met hyperverstrengeling zijn alleen aangetoond in beschermde laboratoriumomgevingen over korte afstanden. De mogelijkheid om hyperverstrengelde toestanden via optische vrije-ruimteverbindingen te verzenden, maakt transmissie over langere afstanden mogelijk dan mogelijk is met optische vezels op de grond.

Zoals de natuurkundigen uitleggen, het eenvoudigste type verstrengeling tussen fotonen is polarisatieverstrengeling. Wanneer gemeten, een foton zal een van de twee polarisatietoestanden vertonen (verticaal of horizontaal), het produceren van tweedimensionale verstrengeling in de polarisatie vrijheidsgraad. In tweedimensionale polarisatiecodering, elk foton is beperkt tot het coderen van maximaal één qubit.

Maar er zijn andere manieren om fotonen te verstrengelen, en deze methoden kunnen worden gecombineerd met polarisatieverstrengeling om hyperverstrengelde fotonen te verkrijgen, die het potentieel hebben om meerdere qubits op te slaan.

In het nieuwe werk de natuurkundigen combineerden polarisatieverstrengeling met een tweede soort verstrengeling die energie-tijdverstrengeling wordt genoemd, waarbij de emissietijd van het fotonenpaar betrokken is en vele mogelijke waarden kan aannemen, wat resulteert in veel hogere dimensies. In dit experiment, om technische redenen, de natuurkundigen gebruikten slechts twee specifieke emissietijden, "vroeg" en "laat, " overeenkomend met twee vrijheidsgraden. Wanneer gecombineerd, de twee soorten verstrengeling stelden de onderzoekers in staat om vierdimensionale hyperverstrengelde toestanden te creëren.

"We codeerden qubits tegelijkertijd in twee eigenschappen van het foton, " vertelde co-auteur Fabian Steinlechner van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen: Phys.org . "We hebben één qubit gecodeerd in de goed bestudeerde polarisatievrijheidsgraad, en nog een in de tijd-energie vrijheidsgraad, waarvan nog niet was aangetoond dat ze bestand zijn tegen transmissie via een turbulente vrije-ruimteverbinding. Op deze manier verdubbelden we de hoeveelheid verstrengeling per foton in vergelijking met eerdere experimenten met optische verbindingen in de echte wereld. Het vergroten van de dimensionaliteit van verstrengeling en het verzenden van hoog-dimensionale verstrengeling onder reële atmosferische link-omstandigheden is een belangrijke stap in de richting van efficiëntere en praktische kwantumcommunicatiesystemen."

De hyperverstrengelde fotonenbron, die paren hyperverstrengelde fotonen genereert, bevond zich in een laboratorium aan de IQOQI in Wenen. Om hyperverstrengelingsdistributie aan te tonen, de onderzoekers sloegen één foton van elk hyperverstrengeld paar op in het laboratorium en stuurden het andere foton in elk paar door een optische vezel naar een zendertelescoop op het dak van het gebouw. De telescoop stuurde dat foton vervolgens in de vrije ruimte naar een ontvanger op het dak van een ander gebouw op 1,2 km afstand, die de fotonen verzamelden en hun hyperverstrengeling verifieerden.

Hoewel atmosferische turbulentie ervoor zorgde dat de transmissie-efficiëntie van de hyperverstrengelde fotonen varieerde, en ongeveer de helft van de gedistribueerde fotonen ging verloren door absorptie door de optische componenten, de onderzoekers ontdekten nog steeds met succes ongeveer 20, 000 fotonparen per seconde. De resultaten tonen aan, Voor de eerste keer, de haalbaarheid van het gebruik van energie-tijd/polarisatie-hyperverstrengeling in reële omstandigheden. De onderzoekers kijken nu uit naar het ontwikkelen van toepassingen die de voordelen van hyperverstrengeling benutten.

"Hyperverstrengeling, gelijktijdige verstrikking in meerdere vrijheidsgraden, kan worden gebruikt om meerdere verstrengelde qubits per foton te coderen, " zei coauteur Sebastian Ecker van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen. "We noemen dit hoogdimensionale verstrengeling. Het vergroten van de dimensionaliteit van verstrengeling belooft hogere datasnelheden en verbeterde beveiligingsniveaus in kwantumcryptografie, aangezien pogingen om hoogdimensionale kwantumtoestanden te kopiëren resulteren in grotere fouten in vergelijking met tweedimensionale codering, waardoor het gemakkelijker wordt om een ​​afluisteraar op te sporen. Verder, bepaalde transformaties zijn gemakkelijker te bereiken wanneer kwantumtoestanden zijn gecodeerd in verschillende vrijheidsgraden, die protocollen voor het verwerken van kwantuminformatie kunnen maken, zoals kwantumteleportatie en dichte codering, makkelijker uitvoerbaar in de praktijk.”

In de toekomst, de natuurkundigen hopen de dimensionaliteit tot ver boven de vier dimensies te vergroten, de hoeveelheid kwantuminformatie die door een enkel foton kan worden verzonden tot het uiterste drijven. Dit zou de datasnelheden in toekomstige satellietexperimenten aanzienlijk kunnen verhogen.

"Bij ons experiment we gebruikten twee dimensies van de tijd-energieruimte, "zei Steinlechner. "Echter, in tegenstelling tot polarisatie, tijd-energie verstrengeling is niet fundamenteel beperkt tot twee mogelijke toestanden en de potentiële dimensionaliteit is orden van grootte groter."

Als hyperverstrengeling hoger in de ruimte kan worden overgedragen, het zou ook mogelijkheden bieden voor nieuwe soorten fundamentele fysica-experimenten. Deze kunnen het onderzoeken van door zwaartekracht veroorzaakte ineenstorting van de golffunctie en kwantuminformatieverwerking onder relativistische omstandigheden omvatten.

© 2017 Fys.org