El elemento central de nuestro repetidor cuántico es un cubo de vidrio. Ponemos dos fotones independientes en, y siempre que podamos detectar dos fotones que salen por los otros lados, sabemos que podemos realizar un intercambio de entrelazamiento. Crédito:Universidad de Wits
Comunicaciones de la naturaleza publicó hoy una investigación de un equipo compuesto por investigadores escoceses y sudafricanos, demostrando el intercambio de entrelazamiento y la teletransportación de los 'patrones' de luz del momento angular orbital. Este es un paso crucial hacia la realización de un repetidor cuántico para estados entrelazados de alta dimensión.
La comunicación cuántica a largas distancias es integral para la seguridad de la información y se ha demostrado en espacio libre y fibra con estados bidimensionales. recientemente en distancias superiores a 1200 km entre satélites. Pero usar solo dos estados reduce la capacidad de información de los fotones, por lo que el enlace es seguro pero lento. Para hacerlo seguro y rápido, se requiere un alfabeto de mayor dimensión, por ejemplo, usando patrones de luz, de los cuales hay un número infinito. Uno de esos conjuntos de patrones es el momento angular orbital (OAM) de la luz. Se pueden lograr mayores velocidades de bits utilizando OAM como portador de información. Sin embargo, tales estados de fotones decaen cuando se transmiten a largas distancias, por ejemplo, debido al acoplamiento de modo en fibra o turbulencia en el espacio libre, requiriendo así una forma de amplificar la señal. Desafortunadamente, tal "amplificación" no está permitida en el mundo cuántico, pero es posible crear una analogía, llamado repetidor cuántico, similar a los repetidores de fibra óptica en las redes ópticas clásicas.
Una parte integral de un repetidor cuántico es la capacidad de entrelazar dos fotones que nunca han interactuado, un proceso denominado "intercambio de entrelazamiento". Esto se logra interfiriendo dos fotones de pares entrelazados independientes, resultando en que los dos fotones restantes se enreden. Esto permite el establecimiento de entrelazamientos entre dos puntos distantes sin necesidad de que un fotón recorra toda la distancia, reduciendo así los efectos de la descomposición y la pérdida. También significa que no es necesario que tenga una línea de visión entre los dos lugares.
Alfabeto de los modos OAM. Los modos OAM a veces se denominan luz torcida, ya que la luz aparece como un anillo con un vórtice en el medio. La luz se puede torcer una vez, dos veces, tres veces y así sucesivamente para crear un alfabeto de alta dimensión. Crédito:Universidad de Wits
Un resultado de esto es que la información de un fotón se puede transferir al otro, un proceso llamado teletransportación. Como en la serie de ciencia ficción, Star Trek, donde las personas son "transportadas" de un lugar a otro, la información se "teletransporta" de un lugar a otro. Si dos fotones están entrelazados y cambia un valor en uno de ellos, luego otro cambia automáticamente también. Esto sucede a pesar de que los dos fotones nunca están conectados y, De hecho, están en dos lugares completamente diferentes.
En este último trabajo, el equipo realizó la primera demostración experimental de intercambio de entrelazamiento y teletransportación para estados de luz de momento angular orbital (OAM). Demostraron que se podían establecer correlaciones cuánticas entre fotones previamente independientes, y que esto podría usarse para enviar información a través de un enlace virtual. En tono rimbombante, el esquema es escalable a dimensiones superiores, allanando el camino para la comunicación cuántica a larga distancia con alta capacidad de información.
Esquema del experimento. Se crean cuatro fotones, un par de cada fuente de entrelazamiento (BBO). Uno de cada par (B y C) se juntan en un divisor de haz. Cuando se miden los cuatro fotones juntos, se encuentra que los fotones A y D, que antes eran independientes, ahora están enredados. Crédito:Universidad de Wits
Fondo
Los sistemas de comunicación actuales son muy rápidos, pero no fundamentalmente seguro. Para hacerlos seguros, los investigadores utilizan las leyes de la naturaleza para la codificación explotando las extravagantes propiedades del mundo cuántico. Una de esas propiedades es el enredo. Cuando dos partículas están entrelazadas, están conectadas en un sentido espeluznante:una medición en una cambia inmediatamente el estado de la otra sin importar cuán lejos estén. El entrelazamiento es uno de los recursos básicos necesarios para realizar una red cuántica.
Sin embargo, un enlace de comunicación cuántica seguro a larga distancia es muy desafiante:los enlaces cuánticos que utilizan patrones de luz languidecen a distancias cortas precisamente porque no hay forma de proteger el enlace contra el ruido sin detectar los fotones, sin embargo, una vez que se detectan, su utilidad se destruye. Para superar esto, se puede tener una estación de repetición a distancias intermedias, lo que permite compartir información a una distancia mucho más larga sin la necesidad de que la información fluya físicamente a través de ese enlace. El ingrediente central es conseguir que los fotones independientes se entrelacen. Si bien esto se ha demostrado previamente con estados bidimensionales, en este trabajo el equipo realizó la primera demostración con OAM y en espacios de alta dimensión.
