Nytt protokoll överför kvantinformation i komplexa ljustillstånd – Physics World

Nytt protokoll överför kvantinformation i komplexa ljustillstånd – Physics World

Tidsstämpel: 15 januari 2024 9:00

Ett foto av en forskare, Bereneice Sephton, som bär skyddsglasögon och manipulerar en komponent på en optisk bänk
Håller fotonerna komma: Teammedlem Bereneice Sephton arbetar med experimentet vid University of the Witwatersrand, Sydafrika. (Med tillstånd: University of the Witwatersrand)

Kvantinformation skulle kunna överföras mer effektivt tack vare ett nytt protokoll som använder olinjär optik för att överföra högdimensionella, rumsligt komplexa ljustillstånd. Utvecklat av forskare i Sydafrika, Spanien och Tyskland, liknar protokollet kvantteleportation och bygger på kodningsinformation i fotonernas omloppsrörelsemängdstillstånd.

Kvantkommunikationsprotokoll som BB84 fungerar genom att två parter (allmänt kända som Alice och Bob) kan utbyta krypterad information över en osäker länk. För att göra detta måste de dela en resurs av intrasslade stater. Sådana tillstånd kan inte mätas utan att förstöra dem, så en tredje part som inte delar förvecklingen kan inte dekryptera informationen.

För att den här inställningen ska fungera måste dock de intrasslade tillstånden först genereras och säkert distribueras till Alice och Bob. För perfekt säkerhet bör denna distribution ske genom delning av enstaka intrasslade partiklar. Det ursprungliga BB84-protokollet föreslog att man skulle göra detta genom att koda intrassling i fotonernas polariseringstillstånd, men det tillåter bara varje partikel att sända en enda bit av intrassling. Forskare har därför sökt effektivare alternativ.

Vågfronter i spiral

En lovande möjlighet är att använda en annan fotonegenskap, såsom orbital vinkelmomentum. Detta uppstår från rotationen av vågfronter som fusilli-spiraler. Varje vågfront måste rotera ett helt antal gånger per våglängd för att säkerställa att vågfunktionen inte tar flera värden på samma punkt i rymden, men i teorin är den obegränsad. Till skillnad från polarisering (som ges av kvantnumret för spin vinkelmomentet) ger den därför en oändlig uppsättning kvantiserade, ortogonala tillstånd och en oändlig dimensionell bas där en fotons fält kan struktureras.

I det nya verket, som beskrivs i Nature Communications, forskare under ledning av Andrew Forbes från University of the Witwatersrand demonstrerar ett protokoll som i princip kan tillåta Alice och Bob att överföra högdimensionell rumslig information mellan dem med hjälp av en enda foton och olinjär optik. Protokollet börjar när Bob pumpar en olinjär kristall med en laser, vilket gör att den (ibland) producerar ett par intrasslade, lägre frekvensfotoner med motsatta omloppsvinkelmoment via en mekanism som kallas spontan parametrisk nedkonvertering. En foton från varje par skickas till Alice, medan Bob behåller den andra.

Alice kodar under tiden den rumsliga information som hon vill överföra till den orbitala vinkelmomenten för fotoner som emitteras från hennes egen laser. Hon styr dessa fotoner in i en andra olinjär kristall, som också tar emot fotonerna från Bob. Fotonerna från Bob har ingen information, men när de kommer in i Alices kristall genomgår en liten del av dem en annan olinjär optisk process som kallas summafrekvensgenerering. Detta är i praktiken spontan parametrisk nedkonvertering i omvänd riktning, vilket gör att två fotoner ibland kan producera en enda foton med högre frekvens om fotonerna från Alice och Bob har lika och motsatt vinkelmoment. När Alice rapporterar att en sådan högfrekvent foton anländer till hennes detektor, mäter Bob vinkelmomentet för sin foton.

Intrassling som en resurs

Noterbart är att denna process inte uppnår ett "entanglement swap" av det slag som krävs i en kvantrepeater. För det skulle fotonerna som kommer in i den första kristallen behöva bli intrasslade med fotonerna som kommer ut från den andra, och det koherenta tillståndet som Alice skickade in i hennes kristall skulle behöva överföras direkt till det tillstånd för fotonen som finns kvar hos Bob. Detta skulle kräva mycket större effektivitet i upp- och nedkonverteringsprocesserna än vad som för närvarande är möjligt i den icke-linjära optik som används här.

Istället använder forskarna det faktum att om en foton deltar i både nedkonvertering och summafrekvensdifferentiering, måste de icke-sända fotonerna från Bobs spontana parametriska nedkonverteringsprocess ha samma omloppsrörelsemängd som de fotoner som Alice brukade ha. koda rumslig information. Genom att mäta sin egen icke-sända foton kan Bob därför dechiffrera informationen, men ingen som saknar denna foton kan göra det. "Vi använder förvecklingen som en resurs", förklarar teammedlemmen Adam Vallés vid Institutet för fotoniska och optiska vetenskaper i Barcelona.

Konfidentiell information

Forskarna tror att deras system, som de demonstrerade i laboratoriet med hjälp av 15 olika vinkelmoment för fotonerna, skulle kunna producera ett kvantsäkert autentiseringssystem för banker och andra enheter. "Låt oss säga att du har konfidentiell information som du vill skicka, det kan vara ett fingeravtryck, en ID-handling eller vad som helst", säger Forbes. "Du har den här fotonen som skickas till dig som får vårt system att fungera, du överlappar den här fotonen från Bob eller banken med informationen du vill skicka och du får ett klick i din detektor. Och när du gör det här, och du delar den informationen med banken, får banken den information du vill skicka.”

Jonathan Leach, en kvantoptikexpert vid University of Heriot-Watt, Storbritannien, som inte var involverad i forskningen, beskriver det som "ett vackert experiment och ett mycket betydelsefullt arbete." Han tillägger dock att lagets papper, tillsammans med en liknande arbete av forskare vid Kinas Xiamen University, väckte viss kontrovers för forskarnas initiala påståenden om att de hade teleporterat högdimensionella kvanttillstånd. "I dess hjärta är andan av kvantteleportation och all form av teleportation att du har något tillstånd som transporteras till en ny plats och i den processen förstörs originalet," säger Leach. Detta är inte riktigt sant här, tillägger han, eftersom Alice måste använda en laser för att generera många kopior av kvanttillståndet för att en ska genomgå summafrekvensdifferentiering och upptäckas av Bob, så det ursprungliga tillståndet är fortfarande närvarande hos Alice. slutet.

Fysiker Dan Gauthier vid Ohio State University i USA är mindre entusiastisk och hävdar att andra grupper har gjort liknande arbete med mindre utarbetade metoder. Han ser också en nackdel i själva protokollet: "I kvantspråket är detta vad som kallas en projektiv mätning", säger han; "Om fotonen råkar vara i det tillstånd du letar efter ser du ett klick. Om det inte är det får du ingen information. Så om de har ett d-dimensionellt utrymme är den verkliga fördelen med det de gör helt förlorad eftersom varje gång de gör en mätning finns det bara en 1/d chans att de valde rätt läge för att göra det." Forskarna accepterar denna kritik och arbetar för att råda bot på den.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden