利用扭曲光跨光纤网络的多维量子通信

扭曲的光

两张光子缠结,一个是偏振,另一个在轨道角动量扭转光。通过使极化光子通过纤维并保持空气中的扭曲光,即使在单模光纤中也可以进行多维缠结传输。信誉:智慧大学

智慧(南非)和竞争(中国)的团队表明,可能的多维量子通信与扭曲灯有可能下降传统光纤网络。

中国南非大学威特沃特斯坦大学的新研究,中国武汉华中科技与华中科技大学,对光纤网络安全数据传输有激动人心的影响。该团队已经证明,可以在传统的光纤链路上传输多个扭曲光的量子图案,矛盾的是,仅支持一种图案。该含义是实现未来量子网络的新方法,利用缠绕量子光的多个维度。

科学的进步今天,在线发布在线,由Andrew Forbes教授的团队从歌舞赛大学的物理学教授,合作与赫斯王教授的团队领导。在其纸张上标题:通过单模光纤的多维纠缠传输,研究人员展示了一种用于实现未来量子网络的新范式。该团队表明,在传统光纤的通信链路之后可以访问多种光的光图案,这矛盾的是只能支持单个图案。该团队通过工程纠缠在两度的光的光,偏振和图案自由度中实现了这种量子诀窍,使偏振光子下来并与另一个光子一起进入许多图案。

Witwatersrand大学Isaac Nape

Wits博士生艾萨克·奈普——该项目的两位主要博士生之一——对量子纠缠实验进行了校准。信誉:智慧大学

Forbes说:“本质上,该研究引入了跨具有多维纠缠态的传统光纤网络通信的概念,将现有的偏振光子量子通信的好处与使用光模式的高维通信的好处结合在一起。”

一个新的扭曲,一个新的范式

目前的通信系统非常快,但不是根本安全。为了使其安全的研究人员使用自然的法律来通过利用量子世界的古怪属性来编码,例如在使用量子密钥分布(QKD)进行安全通信的情况下。

Witwatersrand大学君润

君润,两个领先博士之一。项目上的学生,在智慧实验室。信誉:智慧大学

这里的“量子”是指在爱因斯坦的距离处的幽灵动作:量子缠结。在过去的几十年中,对于各种量子信息协议进行了广泛探索量子纠缠,特别是通过QKD更安全的沟通。使用所谓的“Qubits”(2D量子状态)信息容量是有限的,但很容易使用偏振为编码自由度的光纤链路中的这些状态。光的光图案,其图案是具有高维编码的益处的另一种自由度。有许多模式要使用,但不幸的是,这需要定制光纤光缆,因此不适合已经存在现有的网络。在目前的工作中,通过将极化Qubits与高维空间模式相结合来创建多维混合量子状态,该团队已经找到了一种平衡这两个极端的新方法来创建多维混合量子状态。

“诀窍是将一个光子扭曲在偏振中并扭曲另一个图案,形成”螺旋光“,其缠绕在两度自由度中,”福布斯说。“由于缠结光子的偏振具有一个图案,因此可以将其发送到长距离单模光纤(SMF),而可以在没有光纤的情况下测量扭曲光子,从空间中访问多维扭曲图案。这些扭曲携带轨道角动量(OAM),是编码信息的有希望的候选者。“

克服现在的挑战

利用高维空间模(例如OAM模)进行量子通信是很有前途的,但只能在专门设计的多模光纤中实现,然而,这在很大程度上受到模(图)耦合噪声的限制。单模光纤没有这种“图案耦合”(这会降低纠缠),但只能用于二维偏振纠缠。

“公布工作中的新颖性是在传统的单模光纤中的多维纠缠传输的演示。光线在两度自由中扭曲:偏振被扭曲以形成螺旋光,因此图案也是如此。这被称为旋转轨道耦合,这里被用于量子通信,“福布斯说。“每个传输仍然只是一个qubit(2D),但是由于无限数量的扭曲图案,我们可以在另一个光子中缠绕。”

该团队展示了超过250米的单模光纤传递多维纠缠态,显示可以实现无限数量的二维子空间。每个子空间可用于向多个接收器发送信息或将信息复用。

“这种新方法的结果是可以访问整个高维奥姆希尔伯特空间,但是一次两个维度。在某种意义上,简单的2D方法与真正的高维方法之间存在妥协,“福布斯说。重要的是,高维状态不适合在传统光纤网络上传输,而这种新方法允许使用传统网络。

参考文献:“通过单模光纤进行多维纠缠传输”,作者:刘军,Isaac Nape,王乾科,Adam Vallés,王健和Andrew Forbes, 2020年1月24日,科学的进步
DOI:10.1126 / sciadv.aay0837

文摘:

全球量子网络要求在长距离的距离分布缠结状态,使用极化已经证明了大约1200公里,在光纤中达到约1200公里。虽然Hilbert具有更高维度的空间,例如,光空间模式,允许每个光子的信息容量更高,但这种空间模式纠缠传输需要定制多模光纤,并且受到阻断诱导模式耦合的限制。在这里,我们通过将多维缠结状态传输到传统的单模光纤(SMF)来规避这一点。我们通过纠缠于双光子对的自由度的自由度来实现这一点,使得偏振(旋转)光子在SMF上通过另一个轨道角动量(轨道)子空间,从而实现多维缠结传输。我们在多个2×2维度下显示高保真混合纠缠保存下来的250米SMF,我们通过量子断层扫描,钟违规措施和新型量子橡皮擦方案确认。这项工作提供了一种可替代的空间模式纠缠传输方法,便于在传统光纤中促进遗留网络中的部署。

5点评论关于“光纤网络中扭曲光的多维量子通信”

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