Новый метод создания квантовой запутанности позволит увеличить количество информации, несомой одним фотоном - «Наука и технологии»

Группа исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе продемонстрировала новый способ инициирования явления квантовой запутанности частиц света, фотонов, которые становятся связанными друг с другом и действуют в унисон, несмотря на разделяющее их расстояние. В большинстве предыдущих исследований, в которых использовалась запутанность фотонов, они, фотоны, запутывались только в одном квантовом "измерении" определяющем одно из их квантовых свойств, преимущественно направление поляризации. Но в своих исследованиях Калифорнийские ученые продемонстрировали то, что они смогли запутать пару фотонов сразу в нескольких "измерениях", используя такие квантовые свойства фотонов, как их энергия, продольное вращение и т.п. Такой метод, называемый гиперзапутанностью, позволяет паре фотонов переносить больше квантовой информации, нежели могут переносить фотоны, запутанные в одном измерении.

Явление квантовой запутанности позволяет передавать данные через квантовые оптические сети, будучи уверенными, что эти данные добрались благополучно до получателя и не были перехвачены или искажены по пути. При помощи гиперзапутанности можно делать все тоже самое, однако количество передаваемой информации в этом случае увеличивается в несколько раз.

Основой новой технологии создания гиперзапутанности фотонов стало создание так называемой бифотонной частотной гребенка, которая позволяет расщепить запутанные фотоны на несколько фотонов с характеристиками, отличающимися от характеристик начального фотона. Подобная решетка позволяет выполнить и обратное преобразование, "собрав" из нескольких фотонов один фотон, обладающий более высокими энергетическими показателями. И если максимально упростить объяснение происходящих процессов, то такая гребенка позволяет собрать из нескольких запутанных в одном измерении фотонов пару фотонов, запутанных сразу в нескольких квантовых измерениях.

С каждым увеличением количества измерений квантовой запутанности, количество информации, переносимой парой запутанных фотонов, удваивается. Это означает, что пара фотонов, запутанных в пяти измерениях, способна перенести в 32 раза больше информации, нежели обычная запутанная пара. При передаче таких гиперзапутанных фотонов по оптоволокну количество передаваемых данных увеличивается, а сам такой метод очень напоминает технологию частотного мультиплексирования, мультиплексирования по длине волны, которая достаточно широко используется в современных коммуникациях.

"Мы продемонстрировали, что оптическая частотная гребенка может быть воспроизведена на уровне единичных фотонов" - пишут исследователи, - "По существу мы создали аналог технологии частотного мультиплексирования, только реализованной на квантовом уровне".

Самой наиболее вероятной область применения технологии "квантового мультиплексирования" станут технологии безопасных и высоконадежных коммуникаций, в которых требуется скоростная передача больших объемов информации с минимально возможным уровнем возникновения ошибок. А такие технологии очень востребованы в обеспечении работы серверов правительственных, медицинских, финансовых и военных организаций. Кроме этого, немалую пользу такие квантовые коммуникационные технологии смогут принести в деле создания новых облачных вычислительных систем и распределенных квантовых вычислительных систем, которые наверняка появятся в будущем.