Un nuevo giro en la comunicación cuántica en fibra

Sep 26, 2023

24 de enero de 2020

por la Universidad de Wits

Una nueva investigación realizada en la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo, Sudáfrica, y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhang en Wuhan, China, tiene implicaciones interesantes para la transferencia segura de datos a través de redes de fibra óptica. El equipo ha demostrado que se pueden transmitir múltiples patrones cuánticos de luz retorcida a través de un enlace de fibra convencional que, paradójicamente, solo admite un patrón. La implicación es un nuevo enfoque para realizar una futura red cuántica, aprovechando múltiples dimensiones de luz cuántica entrelazada.

Science Advances publicó la investigación realizada por un equipo dirigido por el profesor Andrew Forbes de la Facultad de Física de la Universidad de Wits en colaboración con un equipo dirigido por el profesor Jian Wang en HUST. En su artículo, titulado "Transporte de entrelazamiento multidimensional a través de fibra monomodo", los investigadores demuestran un nuevo paradigma para realizar una futura red cuántica. El equipo demostró que se puede acceder a múltiples patrones de luz después de un enlace de comunicación de fibra óptica convencional que, paradójicamente, solo puede admitir un único patrón. El equipo logró este truco cuántico mediante la ingeniería de entrelazamiento en dos grados de libertad de luz, polarización y patrón, pasando el fotón polarizado por la fibra y accediendo a los muchos patrones con el otro fotón.

"En esencia, la investigación introduce el concepto de comunicación a través de redes de fibra heredadas con estados entrelazados multidimensionales, reuniendo los beneficios de la comunicación cuántica existente con fotones polarizados con la comunicación de alta dimensión usando patrones de luz", dice Forbes.

Los sistemas de comunicación actuales son muy rápidos, pero no fundamentalmente seguros. Para hacerlos seguros, los investigadores utilizan las leyes de la naturaleza para la codificación mediante la explotación de las peculiares propiedades del mundo cuántico, como en el caso del uso de la distribución de clave cuántica (QKD) para la comunicación segura.

"Cuántico" aquí se refiere a la "acción espeluznante a distancia" tan aborrecida por Einstein: el entrelazamiento cuántico. En las últimas décadas, el entrelazamiento cuántico se ha explorado ampliamente para una variedad de protocolos de información cuántica, en particular, haciendo que la comunicación sea más segura a través de QKD. Usando los llamados "qubits" (estados cuánticos 2-D), la capacidad de información es limitada, pero es fácil lograr tales estados a través de enlaces de fibra utilizando la polarización como un grado de libertad para la codificación. El patrón espacial de la luz, su patrón, es otro grado de libertad que tiene el beneficio de la codificación de alta dimensión. Hay muchos patrones para usar, pero desafortunadamente, esto requiere un cable de fibra óptica personalizado y, por lo tanto, no es adecuado para las redes existentes. En el presente trabajo, el equipo ha encontrado una nueva forma de equilibrar estos dos extremos mediante la combinación de qubits de polarización con modos espaciales de alta dimensión para crear estados cuánticos híbridos multidimensionales.

"El truco consistía en torcer un fotón en polarización y torcer el otro en un patrón, formando una 'luz en espiral' que se entrelaza en dos grados de libertad", dice Forbes. "Dado que el fotón entrelazado con polarización tiene un solo patrón, podría enviarse por la fibra monomodo (SMF) de larga distancia, mientras que el fotón de luz torcido podría medirse sin la fibra, accediendo a patrones torcidos multidimensionales en el espacio libre. espacio Estos giros llevan el momento angular orbital (OAM), un candidato prometedor para codificar información ".

La comunicación cuántica con modos espaciales de alta dimensión (por ejemplo, modos OAM) es prometedora, pero solo es posible en fibra multimodo especialmente diseñada que, sin embargo, está muy limitada por el ruido de acoplamiento de modo (patrón). La fibra monomodo está libre de este "acoplamiento de patrón" (que degrada el enredo), pero solo se puede utilizar para el enredo de polarización bidimensional.

"La novedad en el trabajo publicado es la demostración del transporte de entrelazamiento multidimensional en fibra monomodo convencional. La luz se tuerce en dos grados de libertad: la polarización se tuerce para formar una luz en espiral, al igual que el patrón. Esto es conocido como acoplamiento espín-órbita, aquí explotado para la comunicación cuántica", dice Forbes. "Cada transmisión sigue siendo solo un qubit (2-D), pero hay una cantidad infinita de ellas debido a la cantidad infinita de patrones retorcidos que podríamos enredar en el otro fotón".

El equipo demostró la transferencia de estados de entrelazamiento multidimensionales en 250 m de fibra monomodo, lo que demuestra que se puede realizar una cantidad infinita de subespacios bidimensionales. Cada subespacio podría usarse para enviar información o multiplexar información a múltiples receptores.

"Una consecuencia de este nuevo enfoque es que se puede acceder a todo el espacio OAM Hilbert de alta dimensión, pero en dos dimensiones a la vez. En cierto sentido, es un compromiso entre los enfoques simples en 2D y los verdaderos enfoques de alta dimensión", dice. Forbes. Es importante destacar que los estados de alta dimensión no son adecuados para la transmisión a través de redes de fibra convencionales, mientras que este nuevo enfoque permite utilizar redes heredadas.

Más información: J. Liu el al., "Transporte de entrelazamiento multidimensional a través de fibra monomodo", Science Advances (2020). advances.sciencemag.org/content/6/4/eaay0837

Información del diario:Avances de la ciencia

Proporcionado por la Universidad de Wits