Pojedynczy foton przenosi 10 bitów informacji

Pojedyncze fotony idealnie nadają się do przesyłania informacji w postaci cyfrowej, tak że każdy foton koduje 0 lub 1. W takim przypadku łatwo sobie wyobrazić, że są to wszystkie dane, które może pomieścić pojedynczy foton. Bynajmniej! Teoretycznie nie ma ograniczeń co do ilości informacji, które może zakodować pojedynczy foton.

I to rodzi interesujące pytanie. Ile informacji fizycy mogą w praktyce upakować w pojedynczy foton? Na co pozwala obecna technologia?

Dziś otrzymujemy odpowiedź dzięki pracy Tristana Tentrupa i kumpli z Uniwersytetu Twente w Holandii. Po raz pierwszy upakowali ponad 10 bitów w jeden foton.

Ich metoda jest teoretycznie prosta. Podejście polega na skojarzeniu pojedynczego fotonu z unikalnym elementem alfabetu. Kiedy alfabet zawiera wiele członków, foton niesie ze sobą wiele informacji.

Nietrudno zrozumieć, dlaczego. Gdy alfabet zawiera tylko dwa elementy, na przykład kod binarny, każdy element koduje jeden bit informacji. Jest to ilość informacji potrzebnych do opisania każdego symbolu w alfabecie.

Ale kiedy alfabet jest większy, potrzeba więcej informacji, aby jednoznacznie opisać każdego członka. Więc każdy członek może zakodować taką ilość danych.

Rzeczywista ilość informacji jest podana przez dziennik do podstawy 2 liczby członków. Na przykład w alfabecie złożonym z 10 symboli, takich jak każda liczba dziesiętna, każdy symbol koduje około 3,3 bita. W alfabecie składającym się z 26 symboli, takim jak alfabet angielski, każdy symbol koduje 4,7 bita. I tak dalej.

Tentrup i spółka osiągają swój cel, tworząc alfabet z 9072 symbolami. W takim przypadku każdy symbol koduje więcej niż 13 bitów informacji.

Tworzenie tego alfabetu jest proste. Tentrup i spółka robią to, definiując siatkę 112 x 81 pikseli — czyli 9072 z nich. Każdy piksel reprezentuje inny symbol alfabetu. Aby zakodować foton jednym z tych symboli, wystarczy skierować foton w stronę tej części siatki. Kiedy więc określony piksel zarejestruje przybycie fotonu, zarejestruje ten symbol.

Trudną częścią jest robienie tego dokładnie z pojedynczymi fotonami. Jednym ze sposobów sterowania fotonami jest uchylne lustro, które po prostu odbija je w określonym, kontrolowanym kierunku. Ale Tentrup i spółka używają bardziej elastycznego urządzenia zwanego przestrzennym modulatorem światła, który modyfikuje front fali fotonu podczas jego odbijania. Wykorzystuje efekty dyfrakcyjne do kierowania fotonu w kierunku celu.

Wykrywanie pojedynczych fotonów jest również potencjalną skórką banana, ponieważ każde rozproszone światło może przytłoczyć sygnał. Tentrup i spółka mają przydatną sztuczkę, aby temu zapobiec. Zamiast tworzyć pojedyncze fotony, tworzą je parami i za pomocą tego mechanizmu sterującego kodują tylko jeden z nich. Wypatrują drugiego jako ostrzeżenia, że ​​pierwszy zbliża się do piksela.

Pozwala im to na włączenie piksela w momencie pojawienia się pierwszego fotonu. A to drastycznie zmniejsza szanse, że zabłąkany foton zasypie sygnał. Niemniej jednak szum nadal ma wpływ, a fotony przekazują nieco mniej informacji niż teoretyczne maksimum.

Wyniki są jednak imponujące. Pokazujemy wysokowymiarowe kodowanie pojedynczych fotonów osiągających 10,5 bita na foton, powiedzmy Tentrup i spółka. To znacznie poprawia poprzedni rekord wynoszący zaledwie siedem bitów na foton i natychmiast sugeruje sposoby kodowania jeszcze więcej poprzez zwiększenie rozmiaru siatki.

Praca ma natychmiastowe zastosowania. Fizycy już wykorzystują informacje zakodowane w pojedynczych fotonach do zastosowań takich jak dystrybucja kluczy w kryptografii kwantowej.

Ta informacja jest obecnie zakodowana w pojedynczych fotonach przy użyciu kodu binarnego zer i jedynek. Ale nowa technika natychmiast pozwala każdemu fotonowi przenosić o rząd wielkości więcej. Bardzo obiecującym kierunkiem tych prac byłoby wówczas wdrożenie kodowania dużego alfabetu przestrzennego do dystrybucji kluczy kwantowych, mówi Tentrup i spółka.

Być może nie będziemy musieli długo czekać, aby zobaczyć tę rekordową technologię w akcji.

Nr ref.: http://arxiv.org/abs/1609.04200 : Transmisja ponad 10 bitów za pomocą jednego fotonu

ukryć