Fizikai pirmą kartą atliko sudėtingos šviesos struktūros teleportaciją: tai visiškai naujas lygis kvantinei komunikacijai

Žinučių apvyniojimas kvantinėmis keistenybėmis – puikus būdas išvengti smalsių žvilgsnių, bet dabartinė kvantinio ryšio sparta labiau primena Morzės kodą, o ne plačiajuostį interneto ryšį.

Tai gali pasikeisti, radikaliai patobulėjus kvantinei technologijai, kuri, kopijuodama susietas šviesos struktūras, padeda perduoti kvantinius kodus ir potencialiai atveria būdą kvantinį komunikavimą vykdyti neribotu koduotų pranešimų siuntimo kanalų skaičiumi.

Škotijos ir Pietų Afrikos tyrėjai atliko pirmąją pasaulyje eksperimentinio susietumų mainymosi demonstraciją, kurią naudojant, pavyko rekordiškai toli perduoti fotonų orbitinį kampinį momentą (OAM).

Nesigilinant į detales, tai gan paprasta. Dabar kvantinė informacija gali būti perduodama per fotonų seriją, kas sumažina informacijos praradimo riziką ir leidžia geriau išnaudoti erdvinę šviesos struktūrą ir taip perduoti daugiau duomenų.

O dabar detaliau.

Didžiąją amžiaus dalį buvome – daugiau ar mažiau – susitaikę, kad dalelės savybes galime aprašyti tik jas matuojančios sistemos kontekste. Jei dalelė neatsitrenkia į jutiklį, kuriuo galime toms savybėms priskirtį kokią nors reikšmę, ji egzistuoja neapibrėžtoje begalinių galimybių būsenoje.

Ir štai kas keista; jei toji dalelė prieš išmatavimą sąveikauja su kita dalele, galime sakyti, kad ta kita dalelė irgi yra matavimo sistemos dalis. Tai yra, tiek ji, tiek ir išmatuotoji dalelė yra susietos.

Pirmosios dalelės savybių išmatavimas daugybę galimybių paverčia viena realybe. Šis matavimas tuo pat metu ir susietos dalelės tikimybinę prigimtį paverčia apibrėžta realybe.

Einsteinas manė, kad šioje teorijoje kažko trūksta, ir ne kartą visą šį reikalą vadino „baugiu“, bet štai, praėjo jau beveik šimtas metų ir mes vis dar negalime jo kaip reikiant perprasti.

Kaip bebūtų, galime panaudoti keistąjį susietumo procesą, kurdami itin sudėtingus kodus, kurių neįmanoma perimti, kas suteikia itin didelį saugumą.

Įsivaizduokite du susietus „galbūtus“ (kurie vadinami kubitais) perduodamus į dvi skirtingas vietas.

Kiekvienas gavėjas gali matyti ar jų žinutės siuntimas nebuvo sutrikdytas, dešifruotas savo siuntinio savybes susitikrindamas su gavėjo rezultatu.

Jeigu gautas rezultatas neatitinka, vadinasi, kažkas prie jų fotonų prikišo nagus.

Bet yra viena problema – siunčiant kubitų seką, jie gali pasimesti.

Kvantinės komunikacijos pastaruoju metu vis sušmėžuoja naujienose, o susieti fotonai siunčiami iš kosmoso į žemę padalintu lazerio spinduliu 1 200 kilometrų atstumu.

Tai įspūdingas pasiekimas, tačiau kalbant apie pasaulinį tinklą, tai vis viena absurdiškai mažai. O be to, perdavimai atliekami tik tiesioginio matomumo zonoje.

Naujasis metodas iš esmės yra stiprintuvas, kurį galima išdėstyti išilgai kvantinio ryšio linijos ir kuris perduoda susietų dalelių kvantines būsenas.

Svarbiausias čia – susietumų apsikeitimo fenomenas.

Įsivaizduokite dvi susietų fotonų poras – A1, A2 ir B1, B2. Išmatuojant po vieną iš poros kartu, tarkime A1 ir B1, jos susiejamos toje sistemoje vadinamuoju Bello būsenos matavimu.

Tai reiškia, kad A2 ir B2 per savo buvusius partnerius dabar irgi yra susieti – nors tarpusavyje jie niekada nekontaktavo.

Tai yra susietumo pakeitimas ir jis gali tapti kartotuvo, leisiančio kopijuoti kvantines žinutes toliau, nepažeidžiant jų slaptumo, pagrindu.

Kol kas kvantinės būsenos paprastai būna dvejetainės, tad, nedaug geresnės už Morzės abėcėlės taškus ir brūkšnius.

Tai ne pasaulio pabaiga, bet jei ko nors ir pasimokėme iš informacijos istorijos, tai, kad „per didelis linijos pralaidumas“ yra oksimoronas.

Štai čia scenon žengia orbitinis kampinis momentas. Apie jį galima galvoti kaip apie savotišką fotonų susukimą, panašiai, kaip vykstant poliarizavimui.

Užuot kūrus žinutes iš vienetų ir nulių, ar taškų ir brūkšnių, OKM gali būti naudojamas didesniam informacijos kiekio perdavimui viena dalele.

Tai nėra kažkas naujo; bet anksčiau, siunčiant tokiu erdviniu būdu užkoduotą informaciją, reikėjo naudoti daug fotonų.

Susietumo pakeitimas leidžia fotonus siųsti kartotuvais. Be to, informacijos pernešimui potencialiai gali būti naudojamos ir kitos erdvinės veiksenos, kas atveria kelią praktiškai neribotam kanalų skaičiui.

Kvantinės mechanikos keistenybės galvasopį gebėjo įtaisyti ir Einsteinui, bet geriau jau pratinkimės. Ateitis darosi vis keistesnė.

Šis tyrimas publikuotas Nature Communications žurnale.

Mike Mcrae
sciencealert.com