Nueva investigación realizada en la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo, Sudáfrica, y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhang en Wuhan, Porcelana, tiene implicaciones interesantes para la transferencia segura de datos a través de redes de fibra óptica. El equipo ha demostrado que se pueden transmitir múltiples patrones cuánticos de luz retorcida a través de un enlace de fibra convencional que, paradójicamente, admite solo un patrón. La implicación es un nuevo enfoque para realizar una futura red cuántica, aprovechando múltiples dimensiones de luz cuántica entrelazada.

Avances de la ciencia publicó la investigación de un equipo dirigido por el profesor Andrew Forbes de la Facultad de Física de la Universidad Wits en colaboración con un equipo dirigido por el profesor Jian Wang en HUST. En su papel titulado "Transporte de entrelazado multidimensional a través de fibra monomodo, "Los investigadores demuestran un nuevo paradigma para la realización de una futura red cuántica. El equipo demostró que se puede acceder a múltiples patrones de luz después de un enlace de comunicación de fibra óptica convencional que, paradójicamente, solo puede soportar un patrón único. El equipo logró este truco cuántico mediante ingeniería entrelazada en dos grados de libertad de luz, polarización y patrón, pasando el fotón polarizado por la fibra y accediendo a los muchos patrones con el otro fotón.

"En esencia, la investigación introduce el concepto de comunicación a través de redes de fibra heredadas con estados entrelazados multidimensionales, reunir los beneficios de la comunicación cuántica existente con fotones polarizados con los de la comunicación de alta dimensión utilizando patrones de luz, "dice Forbes.

Un nuevo giro un nuevo paradigma

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. como en el caso del uso de distribución de clave cuántica (QKD) para una comunicación segura.

"Cuántico" aquí se refiere a la "acción espeluznante a distancia" tan aborrecida por Einstein:el entrelazamiento cuántico. En las últimas decádas, El entrelazamiento cuántico se ha explorado ampliamente para una variedad de protocolos de información cuántica, en particular, haciendo que la comunicación sea más segura a través de QKD. Usando los llamados "qubits" (estados cuánticos 2-D), la capacidad de información es limitada, pero es fácil lograr tales estados a través de enlaces de fibra utilizando la polarización como un grado de libertad para la codificación. El patrón espacial de la luz, su patrón, es otro grado de libertad que tiene el beneficio de la codificación de alta dimensión. Hay muchos patrones para usar, pero desafortunadamente, esto requiere un cable de fibra óptica personalizado y, por lo tanto, no es adecuado para las redes existentes. En el presente trabajo, El equipo ha encontrado una nueva forma de equilibrar estos dos extremos combinando qubits de polarización con modos espaciales de alta dimensión para crear estados cuánticos híbridos multidimensionales.

"El truco consistía en torcer un fotón en polarización y torcer el otro en un patrón, formando 'luz en espiral' que se enreda en dos grados de libertad, "dice Forbes." Dado que el fotón entrelazado por polarización tiene un solo patrón, podría enviarse por la fibra monomodo de larga distancia (SMF), mientras que el fotón de luz trenzado se puede medir sin la fibra, Accediendo a patrones retorcidos multidimensionales en el espacio libre. Estos giros llevan el momento angular orbital (OAM), un candidato prometedor para codificar información ".

Superando los desafíos actuales

Comunicación cuántica con modos espaciales de alta dimensión (por ejemplo, Modos OAM) es prometedor, pero solo es posible en fibra multimodo especialmente diseñada, cuales, sin embargo, está muy limitado por el ruido de acoplamiento de modo (patrón). La fibra monomodo está libre de este "patrón de acoplamiento" (que degrada el entrelazamiento) pero solo se puede utilizar para el entrelazamiento de polarización bidimensional.

"La novedad en el trabajo publicado es la demostración del transporte de entrelazado multidimensional en fibra monomodo convencional. La luz se retuerce en dos grados de libertad:la polarización se retuerce para formar una luz en espiral, y también el patrón. Esto se conoce como acoplamiento espín-órbita, aquí explotado para la comunicación cuántica, ", dice Forbes." Cada transmisión sigue siendo sólo un qubit (2-D), pero hay un número infinito de ellos debido al número infinito de patrones retorcidos que podríamos enredar en el otro fotón ".

El equipo demostró la transferencia de estados de entrelazamiento multidimensionales en 250 m de fibra monomodo, mostrando que se puede realizar un número infinito de subespacios bidimensionales. Cada subespacio podría usarse para enviar información, o multiplexar información a múltiples receptores.

"Una consecuencia de este nuevo enfoque es que se puede acceder a todo el espacio OAM Hilbert de alta dimensión, pero dos dimensiones a la vez. En cierto sentido, es un compromiso entre enfoques simples en 2-D y verdaderos enfoques de alta dimensión, "dice Forbes. Es importante destacar que los estados de alta dimensión no son adecuados para la transmisión a través de redes de fibra convencionales, mientras que este nuevo enfoque permite el uso de redes heredadas.