Iš pirmo žvilgsnio tai neįmanoma, bet tik ne fizikams: į vieną fotoną sugebėjo sugrūsti dar daugiau bitų informacijos ir tai puiki žinia kvantinei kriptografijai

Atsakymą pateikia Tristano Tentrupo ir kolegų iš Twente universiteto Nyderlanduose komanda. Jiems pavyko pirmą kartą į vieną fotoną supakuoti daugiau nei 10 bitų. Teoriškai jų metodas neatrodo sudėtingas. Jie susieja fotoną su unikaliu raidyno nariu. Kuo raidyne daugiau narių, tuo fotonas perneša daugiau informacijos.

Nesunku suprasti, kodėl. Kaip raidyne vos du nariai, kaip dvejetainio kodo atveju, kiekvienas narys gali koduoti vieną informacijos bitą. Tiek informacijos reikia, norint aprašyti kiekvieną raidyno narį.

Bet kai raidynas didesnis, norint vienareikšmiškai aprašyti kiekvieną narį, reikia daugiau informacijos. Tad, kiekvienas raidyno narys gali koduoti tiek duomenų.

Tikrasis informacijos kiekis lygus narių skaičiaus 2 pagrindo logaritmui. Pavyzdžiui, jei raidyne yra 10 simbolių, kaip dešimtainėje sistemoje, kiekvienas simbolis koduoja 3,3* bitus.

Anglų kalbos raidyne yra 26 simboliai, tad kiekvienas simbolis koduoja 4,7 bitus. Ir taip toliau.

Tentrupas su kolegomis sukūrė 9072 simbolių raidyną. Tad, kiekvienas simbolis koduoja daugiau nei 13 bitų informacijos.

Raidyną sukurti paprasta. Tentrupas atliko tai, sudarydami 112×81 tinklelį — iš viso 9072 taškų. Kiekvienas taškelis reprezentuoja vis kitą raidyno simbolį. Norint užkoduoti fotoną vienu iš šių simbolių, tereikia nukreipti fotoną į tą tinklelio dalį. Tad, kai konkretus taškelis užfiksuoja atskriejusį fotoną, jis tą simbolį ir registruoja.

Sunkioji dalis – tiksliai atlikti tai su vienu fotonu. Vienas būdas – vairuoti fotonus, pakreipiant veidrodį ir taip nukreipiant juos tam tikra, kontroliuojama kryptimi. Bet Tentrupas su kolegomis naudojo lankstesnį įrenginį, vadinamąjį erdvinį šviesos moduliatorių, kuris, atsipindėdamas dar ir keičia fotono bangos frontą. Tam naudojami difrakcijos efektai.

Vieną fotoną aptikti ir nelengva, kadangi bet kokia pašalinė šviesa gali užgožti signalą. Tentrupas su kolegomis gudriai to išvengė. Užuot kūrę atskirus fotonus, jie kurdavo juos poromis ir, naudodami nukreipimo mechanizmą, informacija koduodavo tik vieną iš jų. Antrasis yra kaip perspėjimas, kad prie tinklelio taško tuoj atskries pirmasis.

Taip jie gali įjungti tašką tuo momentu, kai atskrieja pirmasis fotonas. Tai labai smarkiai sumažina galimybę, kad signalą užgoš pašalinis fotonas. Tačiau aplinkos triukšmas vis vien veikia ir fotonai perneša mažiau informacijos, nei teorinė riba.

Kaip bebūtų, pasiekimai įspūdingi. „Pademonstravome, kaip vienu fotonu užkoduojami 10,5 bitų,” sako Tentrupas ir kolegos. Tai daug daugiau, nei ankstesnis 7 bitų viename fotone rekordas, o padidinus tinklelį, galima koduoti dar daugiau.

Šis darbas iš karto pateikia aiškias implikacijas. Fizikai jau naudoja viename fotone koduojamą informaciją, tarkime, kvantinės kriptografijos raktų paskirstymui.

Dabar ši informacija koduojama vienu fotonu, naudojant dvejetainį 1 ir 0 kodą. Bet naująja technika kiekvienas fotonas gali pernešti daug daugiau informacijos. „Labai perspektyvi šio darbo kryptis būtų didelio erdvino raidyno įdiegimas kvantinių raktų paskirstymui,” sako Tentrupas ir kolegos.

Taigi, gal neteks ilgai laukti, kol ši rekordinė technologija bus pradėta naudoti.

www.technologyreview.com

Ref:  http://arxiv.org/abs/1609.04200 : Transmitting More Than 10 Bit with a Single Photon