V jednom fotóne sa skrýva viac dimenzií. Vedci ukázali, ako doň zakódovať výrazne viac informácií než doteraz
Vedci dokážu tvarovať kvantové svetlo v priestore aj čase a vytvárať štruktúrované fotóny s vysokodimenzionálnym kódovaním. Táto technológia môže výrazne zvýšiť kapacitu kvantovej komunikácie a odolnosť prenosu voči rušeniu.
Fotón je zvláštna častica, pretože sa správa ako vlna aj ako častica, záleží na tom, ako ho meriaš. Vo vákuu sa pohybuje maximálnou možnou rýchlosťou, akú fyzika dovoľuje. A práve fotóny dnes prenášajú obrovské množstvo dát v optických sieťach.
Internet, ktorý používaš, v skutočnosti cestuje svetlom. Vedci preto neustále hľadajú nové spôsoby, ako svetlo využiť ešte efektívnejšie. Jedným z takýchto odborov je kvantová optika. Mimoriadne zaujímavý posun sa podaril vedcom z Univerzity Witwatersrand v Juhoafrickej republike v spolupráci s Universitat Autònoma de Barcelona.
Ich práca ukazuje, že svetlo na kvantovej úrovni možno cielene „tvarovať“ v priestore aj čase. Vedci dokážu navrhovať fotóny na mieru konkrétnemu účelu. Ide o takzvané štruktúrované fotóny, teda svetlo, ktorého priestorové usporiadanie, časovanie alebo spektrum sú zámerne upravené.
Zjednodušene povedané, nejde už len o to, že svetlo svieti alebo nesie energiu. Ide o to, že jeho vnútorná štruktúra sa stáva nosičom informácie. Takéto stavy umožňujú využívať viac stupňov voľnosti naraz a otvárajú cestu k vysokodimenzionálnemu kódovaniu.
Ich práca bola publikovaná v časopise Nature Photonics. Ide o prehľadový článok, ktorý mapuje prudký technologický rozvoj v oblasti vytvárania, manipulácie a detekcie kvantového štruktúrovaného svetla.
Neprehliadni
Medzi kľúčové nástroje patrí integrovaná fotonika na čipoch, nelineárna optika či viacrovinná konverzia svetla. Rovnako rýchlo napreduje aj ultrarýchle časové štruktúrovanie, teda manipulácia s kvantovým svetlom v extrémne krátkych časových mierkach – ako aj nové nelineárne detekčné schémy.
Kombinácia týchto technológií posúva štruktúrované kvantové stavy z laboratórnej kuriozity bližšie k praktickým systémom pre zobrazovanie, presnú metrológiu či budúce kvantové siete.
Sme na prahu nových zaujímavých technológií
Najväčšou výhodou takejto kontroly nad fotónmi je možnosť využívať vysokodimenzionálne kódovanie. To znamená, že jeden fotón môže reprezentovať viacero rozlíšiteľných kvantových stavov, teda akoby viac „symbolov“ naraz.
V praxi si to môžeš predstaviť tak, že namiesto jednoduchého systému áno/nie (dvojstavový prenos) môže fotón niesť omnoho bohatšiu abecedu stavov. To zvyšuje informačnú kapacitu a zároveň môže pomôcť lepšie odolávať rušeniu.
Dôležitým aspektom je aj multidimenzionálne kvantové previazanie (entanglement). Namiesto toho, aby boli dve častice previazané len v jednom jednoduchom režime, môžu byť previazané vo viacerých dimenziách naraz. To umožňuje prenášať viac informácií cez jeden previazaný systém a vytvárať komplexnejšie kvantové komunikačné kanály.
Napriek úspechom však vedci stále narážajú na problémy pri prenose štruktúrovanej kvantovej informácie na väčšie vzdialenosti. Nejde o to, že by fotóny nedokázali cestovať ďaleko. Problémom je, že ich zložitá priestorová alebo časová štruktúra sa v reálnych optických kanáloch, napríklad vo vláknach alebo v atmosfére, postupne narúša.
Tradičné stupne voľnosti, ako napríklad polarizácia svetla, sú zatiaľ v tomto smere robustnejšie. Práve preto je dosah štruktúrovaného svetla v praxi momentálne obmedzený.
Profesor Andrew Forbes upozorňuje, že hoci je pokrok za posledné dve desaťročia dramatický, stále existujú zásadné výzvy.
„Pred dvadsiatimi rokmi bol nástrojový arzenál takmer prázdny. Dnes máme kompaktné zdroje kvantového štruktúrovaného svetla priamo na čipoch, ktoré dokážu tieto stavy vytvárať a riadiť,“ uvádza.
Jedným z najsľubnejších smerov je udelenie kvantovým stavom tzv. topologických vlastností. Topológia opisuje vlastnosti, ktoré sa nemenia ani pri deformácii tvaru, podobne ako dieru v šiške nezrušíš tým, že ju natiahneš. Ak sa podarí zakódovať informáciu do takýchto topologických vlastností, mohla by byť prirodzene odolnejšia voči poruchám.
Vedcov čaká ešte veľa výziev
Podľa autorov sa celý odbor nachádza na možnom zlomovom bode. Experimentálne koncepty sa postupne menia na technologické platformy. Výzvou zostáva zvyšovanie dimenzionality, počtu generovaných fotónov aj schopnosti vytvárať stavy, ktoré prežijú realistické optické podmienky.
Ak sa tieto limity podarí prekonať, budúce komunikačné siete nemusia byť len rýchlejšie, ale zásadne odlišné od tých, ktoré poznáme dnes.
Svetlo tak už nie je len nosič energie. Stáva sa inžinierskou platformou pre novú generáciu kvantových technológií. Otázkou nie je, či tento smer bude pokračovať, ale ako rýchlo sa z laboratórií presunie do reálneho sveta.
