De nouvelles recherches effectuées à l'Université du Witwatersrand à Johannesburg, Afrique du Sud, et l'Université des sciences et technologies Huazhang à Wuhan, Chine, a des implications intéressantes pour le transfert de données sécurisé sur les réseaux de fibre optique. L'équipe a démontré que plusieurs modèles quantiques de lumière torsadée peuvent être transmis à travers une liaison fibre conventionnelle qui, paradoxalement, ne prend en charge qu'un seul modèle. L'implication est une nouvelle approche pour réaliser un futur réseau quantique, exploiter les multiples dimensions de la lumière quantique enchevêtrée.

Avancées scientifiques a publié les recherches d'une équipe dirigée par le professeur Andrew Forbes de l'École de physique de l'Université Wits en collaboration avec une équipe dirigée par le professeur Jian Wang à HUST. Dans leur papier, intitulé "Transport d'enchevêtrement multidimensionnel à travers une fibre monomode, " les chercheurs démontrent un nouveau paradigme pour la réalisation d'un futur réseau quantique. L'équipe a montré que plusieurs motifs de lumière sont accessibles après une liaison de communication de fibre optique conventionnelle qui paradoxalement ne peut supporter qu'un seul motif. L'équipe a réalisé cette astuce quantique par l'ingénierie de l'intrication à deux degrés de liberté de la lumière, polarisation et motif, faire passer le photon polarisé le long de la fibre et accéder aux nombreux motifs avec l'autre photon.

« En substance, la recherche introduit le concept de communication à travers les réseaux de fibres existants avec des états intriqués multidimensionnels, réunir les avantages de la communication quantique existante avec des photons polarisés avec celui de la communication de grande dimension utilisant des motifs de lumière, " dit Forbes.

Une nouvelle tournure, un nouveau paradigme

Les systèmes de communication actuels sont très rapides, mais pas fondamentalement sûr. Pour les sécuriser, les chercheurs utilisent les lois de la nature pour l'encodage en exploitant les propriétés bizarres du monde quantique, comme dans le cas de l'utilisation de la distribution de clés quantiques (QKD) pour une communication sécurisée.

« Quantum » fait ici référence à « l'action effrayante à distance » si abhorrée par Einstein :l'intrication quantique. Au cours des dernières décennies, l'intrication quantique a été largement explorée pour une variété de protocoles d'information quantique, notamment la sécurisation des communications via QKD. En utilisant des "qubits" (états quantiques 2D), la capacité d'information est limitée, mais il est facile d'atteindre de tels états à travers des liaisons de fibre en utilisant la polarisation comme degré de liberté pour le codage. Le modèle spatial de la lumière, son modèle, est un autre degré de liberté qui a l'avantage d'un codage de grande dimension. Il existe de nombreux modèles à utiliser, mais malheureusement, cela nécessite un câble à fibre optique personnalisé et n'est donc pas adapté aux réseaux existants. Dans le travail present, l'équipe a trouvé une nouvelle façon d'équilibrer ces deux extrêmes en combinant des qubits de polarisation avec des modes spatiaux de grande dimension pour créer des états quantiques hybrides multidimensionnels.

"L'astuce était de tordre un photon en polarisation et de tordre l'autre en motif, formant une "lumière en spirale" qui est intriquée dans deux degrés de liberté, " dit Forbes. " Puisque le photon intriqué en polarisation n'a qu'un seul motif, il pourrait être envoyé sur la fibre monomode longue distance (SMF), tandis que le photon lumineux tordu pourrait être mesuré sans la fibre, accéder à des motifs torsadés multidimensionnels dans l'espace libre. Ces torsions portent un moment angulaire orbital (OAM), un candidat prometteur pour le codage de l'information."

Surmonter les défis actuels

Communication quantique avec des modes spatiaux de grande dimension (par exemple, modes OAM) est prometteur, mais uniquement possible dans une fibre multimode spécialement conçue, lequel, cependant, est fortement limitée par le bruit de couplage de mode (motif). La fibre monomode est exempte de ce « couplage de motif » (qui dégrade l'intrication) mais ne peut être utilisée que pour l'intrication de polarisation bidimensionnelle.

"La nouveauté dans les travaux publiés est la démonstration du transport d'intrication multidimensionnelle dans une fibre monomode conventionnelle. La lumière est tordue à deux degrés de liberté :la polarisation est tordue pour former une lumière en spirale, et le modèle aussi. C'est ce qu'on appelle le couplage spin-orbite, ici exploité pour la communication quantique, ", dit Forbes. "Chaque transmission n'est encore qu'un qubit (2-D) mais il y en a un nombre infini à cause du nombre infini de motifs tordus que nous pourrions enchevêtrer dans l'autre photon."

L'équipe a démontré le transfert d'états d'intrication multidimensionnels sur 250 m de fibre monomode, montrant qu'un nombre infini de sous-espaces bidimensionnels peut être réalisé. Chaque sous-espace pourrait être utilisé pour envoyer des informations, ou multiplexer les informations vers plusieurs récepteurs.

"Une conséquence de cette nouvelle approche est que l'ensemble de l'espace OAM Hilbert de grande dimension est accessible, mais deux dimensions à la fois. Dans un certain sens, il s'agit d'un compromis entre de simples approches 2D et de véritables approches à haute dimension, " dit Forbes. Surtout, les états de grande dimension ne conviennent pas à la transmission sur des réseaux de fibres conventionnels, alors que cette nouvelle approche permet d'utiliser les réseaux existants.