Форма фотона может быть использована для передачи информации

Международная научная группа впервые смогла идентифицировать форму одиночных фотонов при помощи специально разработанной оригинальной и остроумной методики, которая способна привести к созданию устройств для кодирования информации на основе измерения состояний фотонов.

Передача информации при помощи различных состояний фотонов потенциально значительно эффективнее нынешнего способа, применяющего световые импульсы: один-единственный фотон при использовании квантовой суперпозиции может означать не один бит информации, а любую букву алфавита (или даже несколько таких букв). Понятно, что подобная технология радикально быстрее современной оптоволоконной связи.

Но вот беда: «форма» фотона при прохождении им того же оптического волокна подвергается изменениям, ведущим к её нечитаемости «на выходе». Исследователи под руководством Марко Беллини из Национального института оптики (Флоренция, Италия) попробовали решить эту проблему при помощи модоселективных детекторов фотонов.

В эксперименте фотон удавалось обнаруживать тогда, когда он взаимодействовал с лазерным импульсом, максимально близким ему по фазе. (Иллюстрация M. Bellini.)

Для этого измеряемый фотон «смешивается» с интенсивным лазерным импульсом, который учёные по контексту называют «гетеродином». Фотон и лазерный импульс взаимодействуют и либо усиливают друг друга, либо взаимно гасятся, в зависимости от конкретной формы. Чем ближе между собой их формы, тем вероятнее обнаружение фотона детектором «на выходе» из экспериментальной оптоволоконной системы.

Марко Беллини с коллегами последовательно изменяли параметры лазерного импульса до тех пор, пока он не начинал соответствовать форме фотона (то есть пока вероятность детектирования фотона не становилась максимальной). «Если форма фотона в начале неизвестна, мы начинаем с набора случайных форм для излучения гетеродина и перебираем их все, чтобы подобрать наилучший для обнаружения квантового состояния света, — поясняет г-н Беллини. — Эти оптимальные варианты затем слегка модифицируются и смешиваются между собой, образовывая новую генерацию форм, которые мы тестируем на нашем одиночном фотоне, чтобы выяснить его форму».

Чтобы продемонстрировать пригодность такого процесса для передачи информации при помощи различных состояний фотонов, исследователи создали фотоны с двумя различными компонентами частот с разными фазами. Фотоны обнаруживались тогда, когда импульсы «гетеродина» (фемтосекундного лазера) имели совпадающие фазы («в фазе»), и не обнаруживались тогда, когда находились строго в противофазе.

Рассматриваемое исследование представляет собой действительно важный шаг. Ранее все эксперименты по передаче информации с использованием квантовых состояний света опирались на различную поляризацию передаваемого фотона. Информация при этом кодировалась при помощи двух состояний поляризации и их суперпозиций (кубит). Как отмечает г-н Беллини, с обеспечением полного доступа ко всему спектру пространственно-временной структуры квантовых состояний света число ортогональных состояний, которое может занимать одиночный фотон (потенциальные «буквы алфавита») становится практически неограниченным, так что продемонстрированный подход способен в значительной степени увеличить возможности квантовых коммуникаций или компьютерных систем. Трудно даже сказать, насколько значительно, ибо если количество ортогональных состояний не имеет ограничений, то и количество информации, передаваемой при помощи одного (!) фотона, также теоретически бесконечно.

Отчёт об исследовании появился в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.