Мировой рекорд в сверхплотном кодировании побит с помощью гиперзапутанности

Новый рекорд так называемого «плотного кодирования» в линейной оптике, установленный исследователями Иллинойского университета, использует гиперзапутанность квантовых состояний для достижения «сверхплотных» уровней кодирования. Пол Квят (Paul Kwiat), профессор физики и электрического и компьютерного конструирования, так объясняет плотное кодирование: «Плотное кодирование и является, скорее всего, тем протоколом, что послужил отправной точкой для развития квантовых коммуникаций. Однако по сегодняшний день, спустя более чем десятилетие с момента первой экспериментальной реализации, пропускная способность канала остается фундаментально ограниченной, если рассматривать фотоны в общепринятых линейных элементах».

Классическое фотонное кодирование в своей основе работает как код в кремниевых транзисторах: элемент, в нашем случае фотон, может передавать одно из двух значений, то есть один бит информации. Плотное кодирование прибегает к квантовой механике, позволяя фотонам нести теоретически до четырех сообщений, то есть два бита информации. Квят объясняет: «Плотное кодирование возможно потому, что свойства фотона можно связать с другим фотоном с помощью особого процесса под названием квантовая запутанность.  Такая причудливая группировка может связать два фотона, даже если те расположены на противоположных концах галактики».

Однако предыдущие усилия в этом направлении не смогли достичь теоретического потолка в 4 сообщения, из-за ограничения в 3 сообщения, налагаемого стандартным протоколом запутанности, использующим линейные элементы. Другими словами, в прошлом пределом коммуникаций было 1,58 бита/фотон вместо теоретических 2 бита/фотон.

профессор Пол Дж. Квят (справа)

Группа Квята воспользовалась более сложной формой запутыванности, известной как гиперзапутанность. Гиперзапутывая фотоны, ученые смогли заставить фотоны запутаться более чем одним способом, что позволило передать данные полностью с плотностью 2 бита на фотон.

Сверхплотного двухбитного кодирования Квят достиг в сотрудничестве с аспирантом Хулио Баррейро и доктором наук Цзу-Чией Вэем (состоящим сейчас в Университете Ватерлоо). Они описали результаты опытов в статье, принятой к публикации в журнале Nature Physics.

Новое сверхплотное кодирование основывается на передаче «отклоняющейся» полярности обоих фотонов и ее «скручивании», то есть орбитальном угловом моменте. Для этого на пере нелинейных кристаллов выполняется спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты, благодаря чему создается эффект двойной параметрической гиперзапутанности. Затем данные передаются с одного фотона на другой посредством изменения поляризации с помощью двулучепреломляющих сдвигов по фазе с использованием жидких кристаллов.

Баррейро предупреждает, что данный метод может оказаться непрактичным в земной атмосфере: «В то время как гиперзапутанность по спину и орбитальному угловому моменту позволяет передавать два бита с одним фотоном, под влиянием атмосферной турбулентности некоторые квантовые состояния могут с легкостью декогерировать, что ограничивает сферу применения подобных коммуникаций межспутниковой передачей данных».