Nieuw onderzoek gedaan aan de Universiteit van de Witwatersrand in Johannesburg, Zuid-Afrika, en Huazhang Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Wuhan, China, heeft opwindende implicaties voor veilige gegevensoverdracht via glasvezelnetwerken. Het team heeft aangetoond dat meerdere kwantumpatronen van gedraaid licht kunnen worden overgedragen via een conventionele glasvezelverbinding die, paradoxaal genoeg, ondersteunt slechts één patroon. De implicatie is een nieuwe benadering om een ​​toekomstig kwantumnetwerk te realiseren, het benutten van meerdere dimensies van verstrengeld kwantumlicht.

wetenschappelijke vooruitgang publiceerde het onderzoek door een team onder leiding van professor Andrew Forbes van de School of Physics van Wits University in samenwerking met een team onder leiding van professor Jian Wang van HUST. In hun krant getiteld "Multidimensionaal verstrengelingstransport door single-mode vezel, "De onderzoekers demonstreren een nieuw paradigma voor het realiseren van een toekomstig kwantumnetwerk. Het team toonde aan dat meerdere lichtpatronen toegankelijk zijn na een communicatieverbinding van conventionele optische vezel die paradoxaal genoeg slechts één enkel patroon kan ondersteunen. Het team bereikte deze kwantumtruc door technische verstrengeling in twee vrijheidsgraden van licht, polarisatie en patroon, het gepolariseerde foton door de vezel laten gaan en toegang krijgen tot de vele patronen met het andere foton.

"In essentie, het onderzoek introduceert het concept van communicatie via legacy glasvezelnetwerken met multidimensionale verstrengelde toestanden, het samenbrengen van de voordelen van bestaande kwantumcommunicatie met gepolariseerde fotonen met die van communicatie met hoge dimensies met behulp van lichtpatronen, ', zegt Forbes.

Een nieuwe draai, een nieuw paradigma

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 kwantumsleuteldistributie (QKD) voor veilige communicatie.

"Quantum" verwijst hier naar de "spookachtige actie op afstand" die Einstein zo verafschuwde:kwantumverstrengeling. In de afgelopen decennia is kwantumverstrengeling is uitgebreid onderzocht voor een verscheidenheid aan kwantuminformatieprotocollen, met name het veiliger maken van communicatie via QKD. Met behulp van zogenaamde "qubits" (2-D kwantumtoestanden), de informatiecapaciteit is beperkt, maar het is gemakkelijk om dergelijke toestanden over glasvezelverbindingen te bereiken met behulp van polarisatie als een vrijheidsgraad voor de codering. Het ruimtelijke patroon van licht, zijn patroon, is een andere vrijheidsgraad die het voordeel heeft van hoogdimensionale codering. Er zijn veel patronen om te gebruiken, maar helaas, hiervoor is glasvezelkabel op maat nodig en is daarom niet geschikt voor bestaande netwerken. In het huidige werk, het team heeft een nieuwe manier gevonden om deze twee uitersten in evenwicht te brengen door polarisatiequbits te combineren met hoogdimensionale ruimtelijke modi om multidimensionale hybride kwantumtoestanden te creëren.

"De truc was om het ene foton in polarisatie te verdraaien en het andere in patroon, het vormen van 'spiraallicht' dat verstrikt is in twee vrijheidsgraden, ", zegt Forbes. "Omdat het door polarisatie verstrengelde foton maar één patroon heeft, het zou langs de single-mode vezel over lange afstand (SMF) kunnen worden gestuurd, terwijl het gedraaide lichtfoton gemeten kon worden zonder de vezel, toegang krijgen tot multidimensionale gedraaide patronen in de vrije ruimte. Deze wendingen dragen orbitaal impulsmoment (OAM), een veelbelovende kandidaat voor het coderen van informatie."

De huidige uitdagingen overwinnen

Quantumcommunicatie met hoogdimensionale ruimtelijke modi (bijvoorbeeld OAM-modi) is veelbelovend, maar alleen mogelijk in speciaal ontworpen multimode-vezel, die, echter, wordt sterk beperkt door mode (patroon) koppelingsruis. Single-mode vezel is vrij van deze "patroonkoppeling" (die verstrengeling verslechtert), maar kan alleen worden gebruikt voor tweedimensionale polarisatieverstrengeling.

"De nieuwigheid in het gepubliceerde werk is de demonstratie van multidimensionaal verstrengelingstransport in conventionele single-mode vezel. Het licht is gedraaid in twee vrijheidsgraden:de polarisatie is gedraaid om spiraalvormig licht te vormen, en zo is het patroon. Dit wordt spin-baankoppeling genoemd, hier uitgebuit voor kwantumcommunicatie, "zegt Forbes. "Elke transmissie is nog steeds slechts een qubit (2-D), maar er zijn er een oneindig aantal vanwege het oneindige aantal gedraaide patronen dat we in het andere foton zouden kunnen verstrengelen."

Het team demonstreerde overdracht van multidimensionale verstrengelingstoestanden over 250 m single-mode vezel, waaruit blijkt dat een oneindig aantal tweedimensionale deelruimten kan worden gerealiseerd. Elke deelruimte kan worden gebruikt voor het verzenden van informatie, of het multiplexen van informatie naar meerdere ontvangers.

"Een gevolg van deze nieuwe aanpak is dat de hele hoogdimensionale OAM Hilbert-ruimte toegankelijk is, maar twee dimensies tegelijk. In zekere zin is het een compromis tussen eenvoudige 2D-benaderingen en echte hoogdimensionale benaderingen, "zegt Forbes. Belangrijk is dat hoogdimensionale toestanden zijn ongeschikt voor transmissie via conventionele glasvezelnetwerken, overwegende dat deze nieuwe benadering het gebruik van legacy-netwerken mogelijk maakt.