پروتکل جدید اطلاعات کوانتومی را در حالت های پیچیده نور منتقل می کند - دنیای فیزیک

پروتکل جدید اطلاعات کوانتومی را در حالت های پیچیده نور منتقل می کند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 15 ژانویه 2024، 9:00 صبح

عکسی از محققی به نام برنیس سفتون که عینک های محافظ به چشم دارد و در حال دستکاری یک جزء روی یک نیمکت نوری است.
نگه داشتن فوتون ها در حال آمدن: عضو تیم برنیس سفتون در حال کار بر روی آزمایش در دانشگاه ویتواترزند، آفریقای جنوبی. (تقدیم: دانشگاه ویتواترزند)

اطلاعات کوانتومی به لطف پروتکل جدیدی که از اپتیک غیرخطی برای انتقال حالت‌های نور با ابعاد بالا و فضای پیچیده استفاده می‌کند، می‌تواند کارآمدتر منتقل شود. این پروتکل که توسط محققانی در آفریقای جنوبی، اسپانیا و آلمان توسعه یافته است، شبیه به انتقال از راه دور کوانتومی است و بر اطلاعات رمزگذاری شده در حالت‌های تکانه زاویه‌ای مداری فوتون‌ها متکی است.

پروتکل‌های ارتباطی کوانتومی مانند BB84 با اجازه دادن به دو طرف (که عموماً به نام آلیس و باب شناخته می‌شوند) امکان تبادل اطلاعات رمزگذاری شده را از طریق یک پیوند ناامن می‌دهند. برای انجام این کار، آنها باید منابعی از حالت های درهم تنیده را به اشتراک بگذارند. چنین حالت هایی را نمی توان بدون از بین بردن آنها اندازه گیری کرد، بنابراین شخص ثالثی که درهم تنیدگی را به اشتراک نمی گذارد، نمی تواند اطلاعات را رمزگشایی کند.

با این حال، برای اینکه این تنظیمات کار کند، ابتدا باید حالت‌های درهم‌تنیده ایجاد شده و به طور ایمن بین آلیس و باب توزیع شوند. برای امنیت کامل، این توزیع باید از طریق اشتراک ذرات درهم تنیده صورت گیرد. پروتکل اصلی BB84 انجام این کار را با رمزگذاری درهم تنیدگی در حالت‌های قطبی شدن فوتون‌ها پیشنهاد کرد، اما این پروتکل تنها به هر ذره اجازه می‌دهد تا یک بیت از درهم تنیدگی را منتقل کند. بنابراین محققان به دنبال گزینه های کارآمدتر بوده اند.

جبهه موج های مارپیچی

یکی از امکان‌های امیدوارکننده، استفاده از یک ویژگی فوتون متفاوت، مانند تکانه زاویه‌ای مداری است. این از چرخش جبهه‌های موج مانند مارپیچ‌های فوسیلی ناشی می‌شود. هر جبهه موج باید در هر طول موج یک عدد صحیح بچرخد تا اطمینان حاصل شود که تابع موج چندین مقدار را در یک نقطه از فضا نمی گیرد، اما در تئوری نامحدود است. برخلاف پلاریزاسیون (که توسط عدد کوانتومی تکانه زاویه‌ای اسپینی به دست می‌آید)، بنابراین مجموعه‌ای بی‌نهایت از حالت‌های کوانتیزه، متعامد و پایه‌ای بی‌بعدی را فراهم می‌کند که در آن میدان فوتون را می‌توان ساختار داد.

در کار جدید که شرح آن در طبیعت ارتباطات, محققان به رهبری اندرو فوربس از دانشگاه Witwatersrand پروتکلی را نشان می‌دهد که در اصل می‌تواند به آلیس و باب اجازه دهد تا اطلاعات فضایی با ابعاد بالا را با استفاده از یک فوتون و اپتیک غیرخطی بین خود انتقال دهند. پروتکل زمانی شروع می شود که باب یک کریستال غیرخطی را با لیزر پمپ می کند و باعث می شود (گاهی) یک جفت فوتون درهم تنیده با فرکانس پایین تر با گشتاور زاویه ای مداری مخالف از طریق مکانیزمی به نام تبدیل پارامتری خود به خود به پایین تولید کند. یک فوتون از هر جفت به آلیس فرستاده می شود، در حالی که باب دیگری را حفظ می کند.

در همین حال، آلیس، اطلاعات مکانی را که می‌خواهد به لحظه‌ای زاویه‌ای مداری فوتون‌های ساطع شده از لیزر خود منتقل کند، رمزگذاری می‌کند. او این فوتون ها را به یک کریستال غیر خطی دوم هدایت می کند که فوتون ها را نیز از باب دریافت می کند. فوتون‌های باب هیچ اطلاعاتی ندارند، اما وقتی وارد کریستال آلیس می‌شوند، بخش کوچکی از آنها تحت فرآیند نوری غیرخطی دیگری به نام تولید مجموع فرکانس قرار می‌گیرند. این عملاً تبدیل پارامتری خود به خود به سمت پایین در معکوس است که به دو فوتون اجازه می‌دهد گهگاهی یک فوتون با فرکانس بالاتر تولید کنند اگر فوتون‌های آلیس و باب دارای گشتاور زاویه‌ای برابر و مخالف باشند. هنگامی که آلیس چنین فوتون فرکانس بالایی را به آشکارساز خود گزارش می دهد، باب تکانه زاویه ای فوتون خود را اندازه می گیرد.

درهم تنیدگی به عنوان یک منبع

قابل ذکر است، این فرآیند به یک "تبادل درهم تنیدگی" از نوع مورد نیاز در یک تکرار کننده کوانتومی دست نمی یابد. برای این کار، فوتون‌هایی که وارد کریستال اول می‌شوند باید با فوتون‌هایی که از کریستال دوم بیرون می‌آیند در هم بپیچند، و حالت منسجمی که آلیس به کریستال خود فرستاده است باید مستقیماً به حالت فوتون باقی مانده با باب منتقل شود. این امر مستلزم کارایی بسیار بیشتری در فرآیندهای تبدیل بالا و تبدیل پایین نسبت به اپتیک غیر خطی مورد استفاده در اینجا است.

در عوض، محققان از این واقعیت استفاده می‌کنند که اگر یک فوتون هم در تبدیل پایین و هم در تمایز مجموع فرکانس شرکت کند، فوتون‌های ارسال نشده از فرآیند تبدیل پارامتری خودبه‌خود به پایین باب باید همان تکانه زاویه‌ای مداری داشته باشند که فوتون‌هایی که آلیس استفاده می‌کرد. رمزگذاری اطلاعات مکانی بنابراین، باب با اندازه‌گیری فوتون غیرقابل انتقال خود، می‌تواند اطلاعات را رمزگشایی کند، اما کسی که فاقد این فوتون باشد، نمی‌تواند این کار را انجام دهد. عضو تیم توضیح می دهد: «ما از درهم تنیدگی به عنوان یک منبع استفاده می کنیم آدام والس موسسه علوم فوتونیک و نوری در بارسلون.

اطلاعات محرمانه

محققان بر این باورند که طرح آنها که در آزمایشگاه با استفاده از 15 لحظه زاویه‌ای مختلف برای فوتون‌ها نشان دادند، می‌تواند یک سیستم احراز هویت کوانتومی امن برای بانک‌ها و موجودیت‌های دیگر تولید کند. فوربس می‌گوید: فرض کنید اطلاعات محرمانه‌ای دارید که می‌خواهید ارسال کنید، این اطلاعات می‌تواند اثر انگشت، مدرک شناسایی یا هر چیز دیگری باشد. شما این فوتون را دارید که برای شما ارسال می‌شود و باعث می‌شود طرح ما کار کند، این فوتون را از باب یا بانک با اطلاعاتی که می‌خواهید ارسال کنید همپوشانی می‌کنید و در آشکارساز خود کلیک می‌کنید. و وقتی این کار را انجام می دهید و آن اطلاعات را با بانک به اشتراک می گذارید، بانک اطلاعاتی را که می خواهید ارسال کنید، دریافت می کند.

جاناتان لیچیک کارشناس اپتیک کوانتومی در دانشگاه هریوت وات بریتانیا که در این تحقیق شرکت نداشت، آن را به عنوان "یک آزمایش زیبا و یک کار بسیار مهم" توصیف می کند. او اضافه می کند، با این حال، مقاله تیم، همراه با یک کار مشابه توسط محققان دانشگاه شیامن چین، باعث ایجاد اختلاف نظر در مورد ادعاهای اولیه محققان مبنی بر تلهپورت حالت های کوانتومی با ابعاد بالا شد. لیچ می‌گوید: «در قلب آن، روح تله‌پورت کوانتومی و هر نوع انتقال از راه دور این است که شما حالتی دارید که به مکان جدیدی منتقل می‌شود و در این فرآیند نسخه اصلی از بین می‌رود. او اضافه می‌کند که این در اینجا واقعاً درست نیست، زیرا آلیس باید از لیزر برای تولید کپی‌های زیادی از حالت کوانتومی استفاده کند تا بتواند تمایز مجموع بسامد را انجام دهد و توسط باب شناسایی شود، بنابراین حالت اصلی هنوز در آلیس وجود دارد. پایان.

فیزیک دان دن گوتیه دانشگاه ایالتی اوهایو در ایالات متحده مشتاق کمتری است و استدلال می‌کند که گروه‌های دیگر کار مشابهی را با استفاده از روش‌های پیچیده‌تر انجام داده‌اند. او همچنین یک اشکال را در خود پروتکل می بیند: "در اصطلاح کوانتومی این چیزی است که اندازه گیری فرافکنی نامیده می شود." «اگر فوتون در حالتی است که شما به دنبال آن هستید، کلیک کنید. اگر اینطور نیست، هیچ اطلاعاتی کسب نمی کنید. بنابراین اگر فضای d داشته باشند، سود واقعی کاری که انجام می‌دهند کاملاً از بین می‌رود، زیرا هر بار که اندازه‌گیری می‌کنند، تنها 1/d احتمال دارد که حالت صحیحی را برای انجام آن انتخاب کنند.» محققان این انتقاد را می پذیرند و برای رفع آن تلاش می کنند.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک