(Phys.org) - Pela primeira vez, físicos demonstraram que fótons hiperemaranhados podem ser transmitidos no espaço livre, que eles mostraram enviando muitos milhares desses fótons entre os telhados de dois edifícios em Viena. Hiper emaranhamento significa que os fótons estão simultaneamente emaranhados em pelo menos duas propriedades diferentes - neste experimento, os pesquisadores combinaram duas propriedades emaranhadas bidimensionais para alcançar o hiperemaranhamento quadridimensional.

Ao mostrar que a transmissão do hiperemaranhamento é viável no mundo real e não apenas no laboratório, os físicos esperam que a demonstração possa um dia ser ampliada para estabelecer uma Internet quântica altamente segura que usa satélites para transmitir informações quânticas de forma rápida e segura em todo o mundo.

Os físicos, liderado por Rupert Ursin no Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) na Academia Austríaca de Ciências em Viena, publicaram um artigo sobre a distribuição do hiperemaranhamento via links atmosféricos no espaço livre em uma edição recente da Nature Communications .

Os estados hiperemaranhados têm várias vantagens sobre os estados com apenas uma propriedade emaranhada, incluindo taxas de dados mais altas e melhores níveis de segurança na comunicação quântica. Até aqui, Contudo, experimentos envolvendo hiperemaranhamento só foram demonstrados em ambientes de laboratório protegidos em distâncias curtas. A capacidade de transmitir estados hiperemaranhados por meio de links ópticos de espaço livre permitirá a transmissão em distâncias mais longas do que seria possível usando fibras ópticas no solo.

Como explicam os físicos, o tipo mais simples de emaranhamento entre fótons é o emaranhamento de polarização. Quando medido, um fóton exibirá um de dois estados de polarização (vertical ou horizontal), produzindo emaranhamento bidimensional no grau de liberdade de polarização. Na codificação de polarização bidimensional, cada fóton está restrito a codificar no máximo um qubit.

Mas existem outras maneiras de emaranhar fótons, e esses métodos podem ser combinados com emaranhamento de polarização para obter fótons hiperemaranhados, que têm o potencial de armazenar vários qubits.

No novo trabalho, os físicos combinaram o emaranhamento de polarização com um segundo tipo de emaranhamento denominado emaranhamento de energia-tempo, que envolve o tempo de emissão do par de fótons e pode assumir muitos valores possíveis, resultando em muitas dimensões superiores. Neste experimento, por razões técnicas, os físicos usaram apenas dois tempos de emissão particulares, "adiantado" e "atrasado, "correspondendo a dois graus de liberdade. Quando combinados, os dois tipos de emaranhamento permitiram aos pesquisadores criar estados hiperemaranhados quadridimensionais.

"Codificamos qubits em duas propriedades do fóton simultaneamente, "disse o co-autor Fabian Steinlechner da Academia Austríaca de Ciências Phys.org . "Codificamos um qubit no grau de liberdade de polarização bem estudado, e outro no grau de liberdade tempo-energia, que ainda não havia se mostrado resistente à transmissão por meio de um link turbulento no espaço livre. Desse modo, dobramos a quantidade de emaranhamento por fóton em comparação com os experimentos anteriores em links ópticos do mundo real. Aumentar a dimensionalidade do emaranhamento e transmitir o emaranhamento de alta dimensão em condições de conexão atmosférica do mundo real é um passo importante para sistemas de comunicação quântica mais eficientes e práticos. "

A fonte hiperemaranhada de fótons, que gera pares de fótons hiperemaranhados, foi localizado em um laboratório no IQOQI em Viena. Para demonstrar a distribuição do hiperemaranhamento, os pesquisadores armazenaram um fóton de cada par hiperemaranhado no laboratório e enviaram o outro fóton em cada par através de uma fibra óptica para um telescópio transmissor no telhado do prédio. O telescópio então transmitiu esse fóton no espaço livre para um receptor no telhado de outro prédio localizado a 1,2 km de distância, que coletou os fótons e verificou seu hiperemaranhamento.

Embora a turbulência atmosférica tenha causado a variação da eficiência de transmissão dos fótons hiperemaranhados, e aproximadamente metade dos fótons distribuídos foram perdidos devido à absorção pelos componentes ópticos, os pesquisadores ainda detectaram com sucesso cerca de 20, 000 pares de fótons por segundo. Os resultados demonstram, pela primeira vez, a viabilidade de usar o hiperemaranhamento energia-tempo / polarização em condições do mundo real. Os pesquisadores agora estão ansiosos para desenvolver aplicativos que aproveitem as vantagens do hiperemaranhamento.

"Hiper emaranhamento, emaranhamento simultâneo em vários graus de liberdade, pode ser usado para codificar vários qubits emaranhados por fóton, "disse o co-autor Sebastian Ecker da Academia Austríaca de Ciências." Nós nos referimos a isso como emaranhamento de alta dimensão. Aumentar a dimensionalidade do emaranhamento promete taxas de dados mais altas e melhores níveis de segurança na criptografia quântica, uma vez que as tentativas de copiar estados quânticos de alta dimensão resultam em erros maiores em comparação com a codificação bidimensional, tornando mais fácil detectar um intruso. Além disso, certas transformações são mais fáceis de realizar quando os estados quânticos são codificados em vários graus de liberdade, que podem fazer protocolos de processamento de informações quânticas, como teletransporte quântico e codificação densa, mais fácil de implementar na prática. "

No futuro, os físicos esperam aumentar a dimensionalidade muito além das quatro dimensões, empurrando a quantidade de informação quântica que pode ser transmitida por um único fóton até seus limites finais. Isso poderia aumentar significativamente as taxas de dados em futuros experimentos de satélite.

"Em nosso experimento, usamos duas dimensões do espaço de tempo-energia, "Steinlechner disse." No entanto, ao contrário da polarização, o emaranhamento tempo-energia não é fundamentalmente limitado a dois estados possíveis e sua dimensionalidade potencial é ordens de magnitudes maiores. "

Se o hiperemaranhamento pode ser transmitido mais alto no espaço, também abriria possibilidades para novos tipos de experimentos fundamentais da física. Isso poderia incluir a investigação do colapso da função de onda induzido pela gravidade e o processamento de informações quânticas sob condições relativísticas.

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