Eine neue Variante der Quantenkommunikation in Glasfaser

Sep 26, 2023

24. Januar 2020

von der Wits University

Neue Forschungsergebnisse der University of the Witwatersrand in Johannesburg, Südafrika, und der Huazhang University of Science and Technology in Wuhan, China, haben spannende Auswirkungen auf die sichere Datenübertragung über Glasfasernetzwerke. Das Team hat gezeigt, dass mehrere Quantenmuster verdrehten Lichts über eine herkömmliche Glasfaserverbindung übertragen werden können, die paradoxerweise nur ein Muster unterstützt. Die Implikation ist ein neuer Ansatz zur Realisierung eines zukünftigen Quantennetzwerks, der mehrere Dimensionen verschränkten Quantenlichts nutzt.

Science Advances veröffentlichte die Forschung eines Teams unter der Leitung von Professor Andrew Forbes von der School of Physics der Wits University in Zusammenarbeit mit einem Team unter der Leitung von Professor Jian Wang am HUST. In ihrer Arbeit mit dem Titel „Multi-dimensional entanglement transport through single mode fibre“ demonstrieren die Forscher ein neues Paradigma für die Realisierung eines zukünftigen Quantennetzwerks. Das Team zeigte, dass nach einer Kommunikationsverbindung über herkömmliche Glasfasern, die paradoxerweise nur ein einziges Muster unterstützen können, mehrere Lichtmuster zugänglich sind. Das Team erreichte diesen Quantentrick, indem es die Verschränkung in zwei Lichtfreiheitsgraden, Polarisation und Muster, konstruierte, das polarisierte Photon durch die Faser leitete und mit dem anderen Photon auf die vielen Muster zugriff.

„Im Wesentlichen führt die Forschung das Konzept der Kommunikation über alte Glasfasernetze mit mehrdimensionalen verschränkten Zuständen ein und vereint die Vorteile der bestehenden Quantenkommunikation mit polarisierten Photonen mit denen der hochdimensionalen Kommunikation mithilfe von Lichtmustern“, sagt Forbes.

Heutige Kommunikationssysteme sind sehr schnell, aber nicht grundsätzlich sicher. Um sie sicher zu machen, nutzen Forscher die Naturgesetze für die Kodierung, indem sie die eigenartigen Eigenschaften der Quantenwelt ausnutzen, beispielsweise im Fall der Verwendung der Quantenschlüsselverteilung (QKD) für sichere Kommunikation.

„Quantum“ bezieht sich hier auf die „unheimliche Fernwirkung“, die Einstein so verabscheute: die Quantenverschränkung. In den letzten Jahrzehnten wurde die Quantenverschränkung für eine Vielzahl von Quanteninformationsprotokollen umfassend erforscht, insbesondere um die Kommunikation durch QKD sicherer zu machen. Bei Verwendung sogenannter „Qubits“ (2-D-Quantenzustände) ist die Informationskapazität begrenzt, es ist jedoch einfach, solche Zustände über Glasfaserverbindungen hinweg zu erreichen, indem man die Polarisation als Freiheitsgrad für die Kodierung nutzt. Das räumliche Muster des Lichts, sein Muster, ist ein weiterer Freiheitsgrad, der den Vorteil einer hochdimensionalen Kodierung bietet. Es gibt viele zu verwendende Muster, aber leider erfordert dies kundenspezifische Glasfaserkabel und ist daher für bestehende Netzwerke ungeeignet. In der vorliegenden Arbeit hat das Team einen neuen Weg gefunden, diese beiden Extreme auszugleichen, indem es Polarisations-Qubits mit hochdimensionalen räumlichen Modi kombiniert, um mehrdimensionale hybride Quantenzustände zu erzeugen.

„Der Trick bestand darin, die Polarisation des einen Photons und das Muster des anderen zu verdrehen, wodurch ‚spiralförmiges Licht‘ entstand, das in zwei Freiheitsgraden verwickelt ist“, sagt Forbes. „Da das polarisationsverschränkte Photon nur ein Muster aufweist, könnte es über die Long-Distance-Single-Mode-Faser (SMF) gesendet werden, während das verdrehte Lichtphoton ohne die Faser gemessen werden könnte, wodurch mehrdimensionale verdrehte Muster im Freien zugänglich wären.“ Raum. Diese Drehungen tragen den orbitalen Drehimpuls (OAM), einen vielversprechenden Kandidaten für die Kodierung von Informationen.“

Quantenkommunikation mit hochdimensionalen räumlichen Moden (z. B. OAM-Moden) ist vielversprechend, aber nur in speziell entwickelten Multimode-Fasern möglich, die jedoch durch Moden-(Muster-)Kopplungsrauschen stark eingeschränkt sind. Singlemode-Fasern sind frei von dieser „Musterkopplung“ (die die Verschränkung beeinträchtigt), können aber nur für die zweidimensionale Polarisationsverschränkung verwendet werden.

„Die Neuheit in der veröffentlichten Arbeit ist die Demonstration des mehrdimensionalen Verschränkungstransports in herkömmlichen Singlemode-Fasern. Das Licht wird in zwei Freiheitsgraden verdreht: Die Polarisation wird verdreht, um spiralförmiges Licht zu bilden, und das gilt auch für das Muster. Das ist Dies wird als Spin-Bahn-Kopplung bezeichnet und hier für die Quantenkommunikation genutzt“, sagt Forbes. „Jede Übertragung ist immer noch nur ein Qubit (2-D), aber es gibt unendlich viele davon, weil wir unendlich viele verdrehte Muster in das andere Photon verwickeln könnten.“

Das Team demonstrierte die Übertragung mehrdimensionaler Verschränkungszustände über 250 m Singlemode-Faser und zeigte damit, dass eine unendliche Anzahl zweidimensionaler Unterräume realisiert werden konnte. Jeder Unterraum könnte zum Senden von Informationen oder zum Multiplexen von Informationen an mehrere Empfänger verwendet werden.

„Eine Konsequenz dieses neuen Ansatzes ist, dass auf den gesamten hochdimensionalen OAM-Hilbert-Raum zugegriffen werden kann, jedoch auf zwei Dimensionen gleichzeitig. In gewisser Weise handelt es sich um einen Kompromiss zwischen einfachen 2D-Ansätzen und echten hochdimensionalen Ansätzen“, sagt Forbes. Wichtig ist, dass hochdimensionale Zustände für die Übertragung über herkömmliche Glasfasernetze ungeeignet sind, während dieser neue Ansatz die Verwendung älterer Netze ermöglicht.

Mehr Informationen: J. Liu el al., „Multidimensionaler Verschränkungstransport durch Singlemode-Faser“, Science Advances (2020). Advances.sciencemag.org/content/6/4/eaay0837

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