Nova pesquisa feita na Universidade de Witwatersrand em Joanesburgo, África do Sul, e a Universidade Huazhang de Ciência e Tecnologia em Wuhan, China, tem implicações interessantes para a transferência segura de dados em redes de fibra óptica. A equipe demonstrou que vários padrões quânticos de luz torcida podem ser transmitidos através de um link de fibra convencional que, paradoxalmente, suporta apenas um padrão. A implicação é uma nova abordagem para a realização de uma rede quântica futura, aproveitando múltiplas dimensões de luz quântica emaranhada.

Avanços da Ciência publicou a pesquisa por uma equipe liderada pelo professor Andrew Forbes da Escola de Física da Wits University em colaboração com uma equipe liderada pelo professor Jian Wang na HUST. Em seu jornal, intitulado "Transporte de emaranhamento multidimensional por meio de fibra monomodo, "os pesquisadores demonstram um novo paradigma para a realização de uma futura rede quântica. A equipe mostrou que vários padrões de luz são acessíveis após um link de comunicação de fibra óptica convencional que, paradoxalmente, só pode suportar um único padrão. A equipe conseguiu esse truque quântico por engenharia de emaranhamento em dois graus de liberdade de luz, polarização e padrão, passando o fóton polarizado pela fibra e acessando os muitos padrões com o outro fóton.

"Em essência, a pesquisa apresenta o conceito de comunicação através de redes de fibra legadas com estados emaranhados multidimensionais, reunindo os benefícios da comunicação quântica existente com fótons polarizados com a comunicação de alta dimensão usando padrões de luz, "diz Forbes.

Uma nova reviravolta, um novo paradigma

Os sistemas de comunicação atuais são muito rápidos, mas não fundamentalmente seguro. Para torná-los seguros, os pesquisadores usam as leis da natureza para a codificação, explorando as propriedades peculiares do mundo quântico, como no caso do uso de distribuição quântica de chaves (QKD) para comunicação segura.

"Quantum" aqui se refere à "ação fantasmagórica à distância" tão odiada por Einstein:o emaranhamento quântico. Nas últimas décadas, o emaranhamento quântico foi amplamente explorado para uma variedade de protocolos de informação quântica, notavelmente tornando a comunicação mais segura por meio do QKD. Usando os chamados "qubits" (estados quânticos 2-D), a capacidade de informação é limitada, mas é fácil atingir esses estados em links de fibra usando a polarização como um grau de liberdade para a codificação. O padrão espacial de luz, seu padrão, é outro grau de liberdade que tem o benefício da codificação de alta dimensão. Existem muitos padrões para usar, mas infelizmente, isso requer um cabo de fibra ótica personalizado e, portanto, não é adequado para as redes existentes. No presente trabalho, a equipe encontrou uma nova maneira de equilibrar esses dois extremos combinando qubits de polarização com modos espaciais de alta dimensão para criar estados quânticos híbridos multidimensionais.

"O truque era torcer um fóton na polarização e torcer o outro no padrão, formando 'luz em espiral' que está emaranhada em dois graus de liberdade, "diz Forbes." Uma vez que o fóton emaranhado por polarização tem apenas um padrão, poderia ser enviado pela fibra monomodo de longa distância (SMF), enquanto o fóton de luz torcido pode ser medido sem a fibra, acessando padrões torcidos multidimensionais no espaço livre. Essas torções carregam o momento angular orbital (OAM), um candidato promissor para a codificação de informações. "

Superando os desafios atuais

Comunicação quântica com modos espaciais de alta dimensão (por exemplo, Modos OAM) é promissor, mas apenas possível em fibra multimodo especialmente projetada, que, Contudo, é muito limitado pelo ruído de acoplamento do modo (padrão). A fibra monomodo está livre desse "acoplamento padrão" (que degrada o emaranhamento), mas só pode ser usada para o emaranhamento de polarização bidimensional.

“A novidade do trabalho publicado é a demonstração do transporte de emaranhamento multidimensional em fibra monomodo convencional. A luz é torcida em dois graus de liberdade:a polarização é torcida para formar luz em espiral, e assim é o padrão. Isso é conhecido como acoplamento spin-órbita, aqui explorado para comunicação quântica, ", diz Forbes." Cada transmissão ainda é apenas um qubit (2-D), mas há um número infinito deles por causa do número infinito de padrões torcidos que poderíamos emaranhar no outro fóton. "

A equipe demonstrou a transferência de estados de emaranhamento multidimensional em 250 m de fibra monomodo, mostrando que um número infinito de subespaços bidimensionais pode ser realizado. Cada subespaço pode ser usado para enviar informações, ou multiplexar informações para vários receptores.

"Uma consequência desta nova abordagem é que todo o espaço OAM Hilbert de alta dimensão pode ser acessado, mas duas dimensões de cada vez. Em certo sentido, é um meio-termo entre abordagens 2-D simples e abordagens verdadeiras de alta dimensão, "diz Forbes. Mais importante, estados de alta dimensão são inadequados para transmissão em redes de fibra convencionais, considerando que esta nova abordagem permite o uso de redes legadas.