Форма фотона может использоваться для кодирования квантовой информации.

Выявление формы фотона.

Международной команде ученых удалось впервые определить форму отдельных фотонов. Результат может оказаться чрезвычайно полезным для защищенной передачи данных с помощью света.
Импульсы света могут быть практически любой формы в пространстве и времени, и эти формы зависят от амплитуды и фазы импульса, частоты компонентов. Данные могут быть закодированы в импульсы света, путем модуляции амплитуды или фазы света. Одиночные фотоны и другие квантовые единицы также могут быть получены в виде различных сложных форм и использоваться для кодирования информации в этих различных формах, что может стать эффективным способом для безопасной передачи данных. Действительно, одна фотоно-форма может представлять, например, любую букву алфавита, или в виде суперпозиции даже несколько букв.
Однако, проблема в том, что как только фотон отправлен в какой-то аппарат, такой как оптическое волоконно - его форма может быть искажена и информацию, содержащуюся в импульсе становится невозможно расшифровать. Группа во главе с Марко Беллини в Istituto Nazionale di Ottica в Флоренция, Италия и коллеги удалось измерить точную форму фотонов в режиме квантового импульса, которое появляется на приемном конце с помощью "режима-selective" детектора.

Эволюционные алгоритмы определения формы фотона.
Метод основан на эволюционных алгоритмах, используемых обычно в femtochemistry и в экспериментах в биологии, для оптимизации конкретных экспериментальных результатов путем корректировки набора исходных параметров. "Новым в нашей работе является то, что мы применили этот подход к обнаружению ультракоротких квантовых импульсов, сочетающего в себе, очень сложные и передовые методы из двух далеких друг от друга областей исследований: квантовой оптики и фемтосекундного когерентного контроля", - объясняет Беллини.
Использовались высокочастотные лазерные импульсы, которые по своей длине волны многократно короче длины волны фотона и длины всего фотона. Сущность исследования состояла в "смешивания" фотона с высокочастотным лазерным импульсом света или "локальным осциллятором", как его называют. Фотон и высокочастотный лазерный импульс смешиваются и либо усиливают либо нейтрализуют друг друга, в зависимости от их формы. Чем ближе их формы, тем больше вероятность того, что фотон будет обнаружен, так как такое наложение фотона и лазерного импульса взаимно усиливает друг друга.

Беллини и коллеги постепенно (путём подбора) изменяли форму высокочастотного лазерного импульса, пока она не достигала формы фотона. "Если форма фотона неизвестна, то мы исходим из первоначальной случайной формы высокочастотного импульса и перепробуем все формы, чтобы найти ту, которая лучше совпадает с формой фотона", - объясняет Беллини. "Эти лучшие формы, мы затем перемешиваем между собой, чтобы создать новое поколение форм, которые мы проверяем еще раз на соответствие форме нашего единственного фотона. Этот процесс продолжается до лучших соответствий форме фотона и находится путём эволюционной адаптации."


Команда

Восстановление закодированной информации
Исследователи показали, что их система может восстановить информацию, специально закодированную в виде фотонов. Например, они создали фотоны, в которых было два отдельных частотных компонента с определенной разностью фаз. Фотоны были обнаружены с помощью генератора высокочастотных импульсов, когда была соответствующая разность фаз, но не были обнаружены, когда компоненты лазерных импульсов были в фазе с фотонами.
До сих пор в большинстве квантово-оптических экспериментов, делали ставку на создание, управление и обнаружение квантовых состояний света в одной или нескольких вполне определенных режимах. Например, большинство квантово-коммуникационных протоколов, таких как квантовая криптография - основаны на различных направления поляризации (например, горизонтальная или вертикальная) фотона. Это означает, что информация, закодирована только в два возможных состояния фотона и все их суперпозиции - так называемый кубит. "Предоставляя доступ к полной пространственной структуре света, число ортогональных режимов которого велико, один фотон может содержать (возможные буквы в " алфавите") практически не ограниченое количество информации, так что наш подход может значительно расширить возможности квантовой связи и вычислительные системы", - сказал Беллини physicsworld.com.
Исследователи говорят, что они сейчас проводят тестирование в пределах техники. "Мы также пытаемся улучшить анализ светового спектра и пытаемся увеличить количество самостоятельных режимов адресации, которые один фотон может занимать, - добавляет Беллини.
Работа описана в Physical Review Letters.
Об авторе
Belle Dumé является пишущим редактором журнала nanotechweb.org