Сжатая квантовая коммуникация: вспышки света в квантовых состояниях, проходящие через атмосферу

Использование вспышек яркого света для квантовой связи через атмосферу имело бы несколько преимуществ по сравнению с техникой, обычно используемой сегодня: это позволяет передавать пакеты фотонов в солнечном свете, что является сложной задачей для отдельных фотонов. Более того, необходимые для этого приемники в настоящее время уже используются для оптической связи через оптоволокно, а также через спутник.

Подслушивание сообщения, защищенного квантовой криптографией, невозможно незаметно. Это связано с тем, что квантовая физика не позволяет шпиону прочитать ключ, который закодирован определенными квантовыми состояниями, не влияя на эти состояния. Это может быть использовано в умной процедуре обмена ключом, с помощью которого зашифрованы данные, так что нежелательный слушатель не только обнаруживается, но и не может получить доступ к информации.Однако квантово-защищенная связь — вещь хрупкая, и ее легко нарушить.

Тем более примечательной является работа ученых из Эрлангена, работающих с Гердом Лойксом, директором Института науки о свете Макса Планка и профессором Университета Эрланген-Нюрнберг: «Теперь нам удалось передать вспышку света, а именно импульс, который содержит множество фотонов, проходит через атмосферу в особенно чувствительном квантовом состоянии », — говорит Кристиан Пюнтингер, сыгравший важную роль в проекте. Он и его коллеги отправили фотонный пакет по прямой от крыши Института Макса Планка в Нюрнберге к зданию университета Эрланген-Нюрнберг примерно в 1,6 км. «Это работает даже среди бела дня», — говорит Кристиан Пюнтингер.Солнце нарушает квантовую связь с отдельными фотонами

Квантовая связь и квантовая криптография до сих пор полагались в основном на отдельные фотоны, являющиеся носителями информации. Физики уже провели множество экспериментов, в которых они также отправили их по воздуху. Однако отдельные фотоны легко обнаружить только в темноте, потому что они маскируются рассеянным светом, который изобилует солнечным днем ​​- точно так же, как отдельный голос едва ли можно услышать в шумном пабе, особенно если разговор ведется на широкую ногу. проходят из одного конца комнаты в другой. Но насколько полезен трафик данных, который должен останавливаться, когда светит солнце?

С другой стороны, если интенсивные вспышки света передают информацию, связь также возможна при ярком солнечном свете, поскольку специальные приемники, используемые для этого, не чувствительны к рассеянному свету, в отличие от детекторов отдельных фотонов. Однако это не единственное преимущество приемников ярких импульсов. Они также намного быстрее, чем детекторы отдельных фотонов, и, следовательно, обеспечивают более высокую скорость передачи.

И что делает их очень привлекательными для исследователей из Эрлангена: необходимые устройства уже широко используются в оптической связи через оптоволоконный кабель и даже на орбите Земли на борту телекоммуникационных спутников.Однако до сих пор казалось, что отдельные фотоны имеют одно преимущество перед вспышками яркого света. Отдельные фотоны также могут быть потеряны, когда они проходят через атмосферу; но если они достигают места назначения, они прибывают целыми и неизменными.

Затухание в атмосфере снижает только скорость передачи данных.Общение с особо чувствительными, зажатыми состояниямиТаким образом, квантовая связь, использующая вспышки множества фотонов, не лишена собственных трудностей: вспышки подходят для квантовой связи, только если они существуют в чувствительных состояниях.

Они легко разрушаются, если вспышка света проходит через турбулентность воздуха и деформируется или ослабевает. «Это причина, по которой квантовые физики еще даже не пытались посылать такие сигналы через атмосферу», — говорит Кристоф Марквардт, руководитель группы квантовой обработки информации в Институте Макса Планка в Эрлангене. Его команда теперь доказала, что эти импульсы действительно идеальны для квантовой связи по воздуху: «Мы даже использовали импульсы в сжатых квантовых состояниях, которые особенно чувствительны».Чтобы понять, что такое сжатые состояния, необходимо сделать краткий экскурс в основы квантовой физики: принцип неопределенности Гейзенберга применим к квантовым частицам. Этот принцип гласит, что положение и импульс, или, проще говоря, скорость квантовой частицы, не имеют точных значений, как и многие другие ее свойства.

Скорее, измерения этих значений показывают некоторую неопределенность, даже если метод измерения является максимально точным. Если бы это правило сказалось в нашем повседневном мире, перед дорожной полицией стояла бы трудная задача: они не смогли бы определить положение и скорость проезжающего автомобилиста, который предстал бы перед судом.Тем не менее физики могут использовать несколько уловок, чтобы сузить одно свойство конкретной пары характеристик — положение и импульс образуют одну такую ​​пару.

Однако другая измеренная величина еще более размыта. Вряд ли это будет полезно для дорожной полиции: они либо могут определить, насколько быстро автомобилист проезжает через ловушку, но тогда не смогут сделать снимок в качестве доказательства, потому что они не будут знать, в каком направлении направить камеру.

Или они могли бы сделать снимок, но не смогли бы доказать, что боров совершил правонарушение, потому что скорость можно было определить очень смутно.Турбулентность не может повредить поляризации

У физиков есть название состояния, когда одно свойство уточняется в ущерб другому — они называют это сжатием. Когда они исследуют компромисс неопределенности со светом, они называют это сжатым светом. «Скорее всего, сжатый свет не будет использоваться для связи через спутник, но он будет полезен в квантовой криптографии», — говорит Кристоф Марквардт.

Несжатые вспышки, которые менее вредны для потерь, можно было бы использовать для спутников: «Мы также передавали такие импульсы через атмосферу», — говорит Беттина Хейм, которая также работала над экспериментом.Исследователям из Эрлангена удалось передать сжатый свет с помощью уловки, которая задним числом, как и многие хорошие идеи, довольно очевидна. Физики просто обошли проблему, заключающуюся в том, что большинство сжатых состояний света разрушаются турбулентностью в воздухе.

У них есть сжатые свойства, которым не может повредить турбулентность: поляризация в двух разных ориентациях. Поляризация соответствует плоскости колебаний световой волны. «Даже если из-за турбулентности волновые фронты световой вспышки выглядят ужасно деформированными, поляризация сохраняется», — говорит Кристоф Марквардт.

В отличие от того, что ожидали многие физики, сжатое состояние светового сигнала сохранялось во время передачи, хотя степень сжатия несколько снижалась в результате потерь: поляризация в одном из направлений уже не была так четко определена, как раньше. был перед его путешествием через атмосферу, и поляризация в другом направлении была менее размытой, когда он достиг приемника. Их эксперимент поставил исследователей из Эрлангена в выгодное положение в международной гонке: несколько команд по всему миру работают над тем, чтобы сделать возможной квантовую связь через спутник. В конце концов, у спутников уже есть приемники ярких импульсов, которые команда из Эрлангена теперь передает через атмосферу.

Теперь исследователи надеются, что их квантовые вспышки также будут первыми, которые получат спутники.

Портал обо всем