Гиперзапутанность ускоряет передачу данных

Команда физиков из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе нашла способ повысить пропускную способность оптоволоконных каналов. Для этого они предлагают кодировать в каждом импульсе света больший объём информации за счёт создания фотонных пар, находящихся в новом – гиперзапутанном квантовом состоянии.

Передавать информацию с помощью света начали ещё задолго до появления интернета. Люди зажигали огни на маяках, использовали сигнальные костры, подавали условные знаки миганием лампочки и даже отправляли так краткие послания. Однако плотность кодирования у всех этих способов была очень низкой. Маяк поначалу не сообщал ничего, кроме факта своего присутствия, а об условных сигналах приходилось договариваться заранее.

Маяк — целый бит в луче света.

Попытки создать простой универсальный код тоже трудно назвать успешными именно из-за ограничений скорости. В той же азбуке Морзе серия вспышек разной продолжительности означает всего одну букву, поэтому телеграфный стиль подразумевает множество сокращений.

С развитием телекоммуникаций свет стал играть ключевую роль в скоростной передаче данных, но общий недостаток метода остался прежним. Детекторы массово выпускаемого оборудования всё ещё фиксируют серию импульсов света, в то время как в современных лабораториях уже есть практическая возможность регистрировать отдельные фотоны и кодировать данные непосредственно в их квантовых состояниях.

Особый интерес здесь представляет эффект квантовой запутанности (сцепленности). Он заключается в том, что пара фотонов (или других частиц) при определённом способе их получения оказывается связана с нарушением принципа локальности.

Изначально состояние обеих частиц описывается вероятностной моделью, но стоит измерить параметры одной из них, как мы мгновенно узнаем их для другой частицы, над которой измерения не производились. Например, если спиральность одного фотона будет отрицательной, то у второго из пары она окажется положительной.

Художественное представление квантовой запутанности (изображение: NIST).

Считается, что данный эффект не зависит от расстояния. Пока это подтверждается серией экспериментов в области квантовой телепортации, о которых «Компьютерра» уже писала. На заре квантовой физики даже выдвигались осторожные предположения, что с помощью эффекта запутанности можно будет превысить скорость света при передаче информации. Однако и теоретические аргументы, и практические проверки показали, что такой сценарий невозможен.

Для первоначального разделения запутанных фотонов всегда потребуется классический канал связи, скорость в котором не может превышать световую. Тем не менее, остаётся другая возможность получить выигрыш в скорости за счёт квантовых ухищрений.

С помощью запутанных фотонов можно передавать почти вдвое больше данных в единицу времени, если дополнительно кодировать их за счёт направления поляризации. Таким образом один фотон передавал бы уже два бита вместо одного.

Эта идея также была важна и для развития криптографии, поскольку в квантовой физике считался нерушимым принцип наблюдателя: нельзя узнать состояние системы с квантовой неопределённостью при этом не изменив его. Коллапс волновой функции – вещь необратимая, а при использовании запутанных пар фотонов должны были стать очевидными любые попытки атак типа «человек посередине».

Техника слабых измерений лишила квантовую криптографию главного преимущества (фото: siliconangle.com).

Однако в 2006 году физики из того же Калифорнийского университета предложили метод слабых квантовых измерений, который фактически нарушал принцип наблюдателя. Состояние квантовой системы можно было вычислить по косвенным данным, не меняя его прямым измерением. Скрытый перехват вновь оказался теоретически возможным, а серьёзную уязвимость в гипотетически надёжной криптосистеме нашли ещё до её реализации.

Поэтому в последние девять лет запутанные частицы стали представляли интерес уже в основном с точки зрения скорости передачи данных, а не их защиты. Совместные работы велись под руководством профессоров Калифорнийского университета командой исследователей из Массачусетского технологического института, Колумбийского университета, Университета штата Мэриленд, а также сотрудников Национального института стандартов и технологий (NIST).

В новом исследовании «Освоение многомерной гиперзапутанности через бифотонную частотную гребёнку» авторы показали, что существует возможность создавать многократно запутанные пары фотонов. У них оказываются связаны не только изменения спиральности, но и других параметров. Такие пары фотонов получили рабочее название гиперзапутанных. Измеряя у них любые два параметра, можно передавать уже четыре бита в каждой частице, а если удастся использовать три параметра, то плотность повысится в восемь раз (2³). Основная проблема состоит в выборе таких параметров, которые либо не изменяются при передаче на большие расстояния, либо меняются максимально предсказуемо.

Гиперзапутанность увеличит скорость передачи данных (изображение: geo-tel.com).

Подобный эффект уплотнения данных мы наблюдали в ходе развития технологий флэш-памяти. Одноуровневые ячейки (SLC) кодировали по одному биту, многоуровневые – по два (MLC) и три (TLC) бита каждая. Негативная сторона у новой технологии будет аналогичная – повышение частоты ошибок чтения данных. Поэтому на практике кратного прироста скорости ожидать не приходится. Часть выигрыша нивелируется повторами пакетов и дополнительными операциями (де)кодирования.

Генерирование запутанных фотонов с разной поляризацией обычно происходит за счёт спонтанного параметрического рассеяния лазерных импульсов на кристаллах с регулярной доменной структурой и других нелинейных материалах. Для создания гиперзапутанных пар дополнительно используются оптические частотные гребёнки, за описание которых Джон Холл (John L.Hall) и Теодор Хэнш (Theodor W. Hänsch) получили в 2005 году Нобелевскую премию по физике.

Эти своеобразные спектры генерирует фемтосекундный лазер, работающий в режиме синхронизации мод. Они интересны тем, что всегда состоят из ряда дискретных, но строго равноудалённых линий. Поэтому их можно использовать в качестве фильтра или максимально точного эталона частоты для любых прецизионных измерений.

Оптическая частотная гребёнка (изображение: jila.colorado.edu).

Измеряя с их помощью квантовое состояние запутанных пар фотонов с рекордной точностью, можно кодировать данные в направлении поляризации, а также других параметрах, включая корреляцию фотонов по энергии и времени.

«Мы показали, что оптическая частотная гребёнка может быть создана на уровне единичных фотонов. По сути, мы использовали концепцию спектрального уплотнения на квантовом уровне», – говорит ведущий автор исследования Чжэньда Се.

«Нам выпала честь экспериментальной проверки давнего теоретического предсказания профессора Джеффа Шапиро (Jeff Shapiro) из Массачусетского технологического института. Он предполагал, что квантовая запутанность может наблюдаться в частотной гребёнке, – поясняет соавтор исследования Чи Вэй Вонг. – С помощью самых современных высокоскоростных однофотонных детекторов в NIST мы были в состоянии создать и измерить гиперзапутанные пары фотонов. Эти результаты станут основой принципиально нового подхода к скоростной передаче информации».

Работа опубликована http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2015.110.html в июньском выпуске Nature Photonics.