Natuurcommunicatie vandaag gepubliceerd onderzoek door een team bestaande uit Schotse en Zuid-Afrikaanse onderzoekers, demonstreren verstrengeling swapping en teleportatie van orbitale impulsmoment 'patronen' van licht. Dit is een cruciale stap op weg naar het realiseren van een kwantumrepeater voor hoogdimensionale verstrengelde toestanden.

Quantumcommunicatie over lange afstanden is een integraal onderdeel van informatiebeveiliging en is aangetoond in de vrije ruimte en glasvezel met tweedimensionale toestanden, onlangs over afstanden van meer dan 1200 km tussen satellieten. Maar het gebruik van slechts twee toestanden vermindert de informatiecapaciteit van de fotonen, dus de link is veilig maar traag. Om het veilig en snel te maken, is een hoger-dimensionaal alfabet vereist, bijvoorbeeld, gebruik van lichtpatronen, waarvan er een oneindig aantal is. Een van die patronen is het orbitale impulsmoment (OAM) van licht. Verhoogde bitsnelheden kunnen worden bereikt door OAM als informatiedrager te gebruiken. Echter, dergelijke fotontoestanden vervallen wanneer ze over lange afstanden worden verzonden, bijvoorbeeld, door moduskoppeling in vezel of turbulentie in de vrije ruimte, dus een manier nodig om het signaal te versterken. Helaas is een dergelijke "versterking" niet toegestaan ​​in de kwantumwereld, maar het is mogelijk om een ​​analogie te maken, een kwantumrepeater genoemd, verwant aan glasvezelrepeaters in klassieke optische netwerken.

Een integraal onderdeel van een kwantumrepeater is het vermogen om twee fotonen te verstrengelen die nog nooit interactie hebben gehad - een proces dat 'verstrengelingswisseling' wordt genoemd. Dit wordt bereikt door interferentie van twee fotonen van onafhankelijke verstrengelde paren, waardoor de resterende twee fotonen verstrengeld raken. Dit maakt het mogelijk om verstrengeling tussen twee verre punten tot stand te brengen zonder dat één foton de hele afstand hoeft af te leggen. waardoor de effecten van verval en verlies worden verminderd. Het betekent ook dat u geen zichtlijn tussen de twee plaatsen hoeft te hebben.

Een uitkomst hiervan is dat de informatie van het ene foton kan worden overgedragen naar het andere, een proces dat teleportatie wordt genoemd. Net als in de sciencefictionserie, Star Trek, waar mensen van de ene plaats naar de andere worden "gestraald", informatie wordt "geteleporteerd" van de ene plaats naar de andere. Als twee fotonen verstrengeld zijn en je verandert een waarde op een van hen, dan verandert de andere automatisch ook. Dit gebeurt ook al zijn de twee fotonen nooit verbonden en, in feite, bevinden zich op twee totaal verschillende plaatsen.

In dit laatste werk het team voerde de eerste experimentele demonstratie uit van verstrengeling swapping en teleportatie voor orbitale impulsmoment (OAM) toestanden van licht. Ze toonden aan dat kwantumcorrelaties konden worden vastgesteld tussen voorheen onafhankelijke fotonen, en dat dit zou kunnen worden gebruikt om informatie via een virtuele link te verzenden. belangrijk, het schema is schaalbaar naar hogere dimensies, de weg vrijmaakt voor quantumcommunicatie over lange afstand met een hoge informatiecapaciteit.

Achtergrond

De huidige communicatiesystemen zijn erg snel, maar niet fundamenteel veilig. Om ze te beveiligen gebruiken onderzoekers de natuurwetten voor de codering door gebruik te maken van de eigenzinnige eigenschappen van de kwantumwereld. Een van die eigenschappen is verstrengeling. Wanneer twee deeltjes verstrengeld zijn, zijn ze op een spookachtige manier met elkaar verbonden:een meting op de ene verandert onmiddellijk de toestand van de andere, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. Verstrengeling is een van de kernbronnen die nodig zijn om een ​​kwantumnetwerk te realiseren.

Toch is een veilige kwantumcommunicatieverbinding over lange afstand een grote uitdaging:kwantumverbindingen die gebruik maken van lichtpatronen kwijnen weg op korte afstanden, juist omdat er geen manier is om de verbinding te beschermen tegen ruis zonder de fotonen te detecteren, maar als ze eenmaal zijn ontdekt, wordt hun bruikbaarheid vernietigd. Om dit te verhelpen kan men een herhalend station op tussenliggende afstanden hebben - hierdoor kan men informatie over een veel grotere afstand delen zonder dat de informatie fysiek over die link hoeft te stromen. Het belangrijkste ingrediënt is om onafhankelijke fotonen te laten verstrengelen. Hoewel dit eerder is aangetoond met tweedimensionale toestanden, in dit werk toonde het team de eerste demonstratie met OAM en in hoogdimensionale ruimtes.