Nuova ricerca condotta presso l'Università del Witwatersrand a Johannesburg, Sud Africa, e la Huazhang University of Science and Technology di Wuhan, Cina, ha interessanti implicazioni per il trasferimento sicuro dei dati attraverso le reti in fibra ottica. Il team ha dimostrato che più modelli quantistici di luce contorta possono essere trasmessi attraverso un collegamento in fibra convenzionale che, paradossalmente, supporta un solo modello. L'implicazione è un nuovo approccio alla realizzazione di una futura rete quantistica, sfruttando più dimensioni della luce quantistica entangled.

Progressi scientifici ha pubblicato la ricerca di un team guidato dal professor Andrew Forbes della School of Physics della Wits University in collaborazione con un team guidato dal professor Jian Wang dell'HUST. Nella loro carta, intitolato "Trasporto di entanglement multidimensionale attraverso fibra monomodale, " i ricercatori dimostrano un nuovo paradigma per realizzare una futura rete quantistica. Il team ha dimostrato che più modelli di luce sono accessibili dopo un collegamento di comunicazione di fibra ottica convenzionale che paradossalmente può supportare solo un singolo modello. Il team ha ottenuto questo trucco quantistico progettando l'entanglement in due gradi di libertà della luce, polarizzazione e modello, passando il fotone polarizzato lungo la fibra e accedendo ai molti modelli con l'altro fotone.

"In sostanza, la ricerca introduce il concetto di comunicazione attraverso reti in fibra legacy con stati entangled multidimensionali, riunendo i vantaggi della comunicazione quantistica esistente con fotoni polarizzati con quelli della comunicazione ad alta dimensione utilizzando modelli di luce, "dice Forbes.

Una nuova svolta, un nuovo paradigma

Gli attuali sistemi di comunicazione sono molto veloci, ma non fondamentalmente sicuro. Per renderli sicuri, i ricercatori usano le leggi della natura per la codifica sfruttando le bizzarre proprietà del mondo quantistico, come nel caso dell'uso della distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) per la comunicazione sicura.

"Quantum" qui si riferisce all'"azione spettrale a distanza" tanto aborrita da Einstein:l'entanglement quantistico. Negli ultimi decenni, l'entanglement quantistico è stato ampiamente esplorato per una varietà di protocolli di informazione quantistica, in particolare rendendo la comunicazione più sicura tramite QKD. Usando i cosiddetti "qubit" (stati quantistici 2-D), la capacità informativa è limitata, ma è facile ottenere tali stati attraverso i collegamenti in fibra utilizzando la polarizzazione come grado di libertà per la codifica. Il modello spaziale della luce, il suo modello, è un altro grado di libertà che ha il vantaggio della codifica ad alta dimensionalità. Ci sono molti modelli da usare, ma sfortunatamente, ciò richiede un cavo in fibra ottica personalizzato ed è quindi inadatto per le reti esistenti. Nel presente lavoro, il team ha trovato un nuovo modo per bilanciare questi due estremi combinando i qubit di polarizzazione con modalità spaziali ad alta dimensione per creare stati quantistici ibridi multidimensionali.

"Il trucco consisteva nel ruotare un fotone nella polarizzazione e nell'altro secondo uno schema, formando 'luce a spirale' che è impigliata in due gradi di libertà, " dice Forbes. "Dal momento che il fotone entangled per polarizzazione ha un solo schema, potrebbe essere inviato alla fibra monomodale a lunga distanza (SMF), mentre il fotone di luce attorcigliato potrebbe essere misurato senza la fibra, accedere a modelli contorti multidimensionali nello spazio libero. Queste torsioni portano il momento angolare orbitale (OAM), un candidato promettente per la codifica delle informazioni."

Superare le sfide attuali

Comunicazione quantistica con modalità spaziali ad alta dimensionalità (ad esempio, modalità OAM) è promettente, ma possibile solo in fibra multimodale appositamente progettata, quale, però, è fortemente limitato dal rumore di accoppiamento della modalità (schema). La fibra monomodale è priva di questo "accoppiamento del modello" (che degrada l'entanglement) ma può essere utilizzata solo per l'entanglement di polarizzazione bidimensionale.

"La novità nel lavoro pubblicato è la dimostrazione del trasporto di entanglement multidimensionale in fibra convenzionale monomodale. La luce è attorcigliata in due gradi di libertà:la polarizzazione è attorcigliata per formare luce a spirale, e così è il modello. Questo è indicato come accoppiamento spin-orbita, qui sfruttato per la comunicazione quantistica, " dice Forbes. "Ogni trasmissione è ancora solo un qubit (2-D) ma ce ne sono un numero infinito a causa dell'infinito numero di schemi contorti che potremmo impigliare nell'altro fotone".

Il team ha dimostrato il trasferimento di stati di entanglement multidimensionali su 250 m di fibra monomodale, mostrando che un numero infinito di sottospazi bidimensionali potrebbe essere realizzato. Ogni sottospazio potrebbe essere utilizzato per l'invio di informazioni, o multiplexing informazioni a più ricevitori.

"Una conseguenza di questo nuovo approccio è che è possibile accedere all'intero spazio OAM Hilbert ad alta dimensione, ma due dimensioni alla volta. In un certo senso è un compromesso tra semplici approcci 2-D e veri approcci ad alta dimensionalità, " dice Forbes. È importante sottolineare che gli stati ad alta dimensionalità non sono adatti per la trasmissione su reti in fibra convenzionali, considerando che questo nuovo approccio consente di utilizzare reti legacy.