Исследователи из СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПбГУ и НИУ МЭИ экспериментально реализовали новый способ генерации оптических вихрей с сохранением квантовой запутанности фотонов для создания абсолютно защищенных каналов передачи информации.
Квантовая телепортация – это процесс передачи квантового состояния частицы на расстояние без физического перемещения ее самой. В частности, сегодня данное явление используется для создания защищенных каналов связи, позволяя передавать криптографические ключи и синхронизировать удаленные квантовые узлы.
Для повышения пропускной способности (метрики, определяющей максимальный объем данных для обработки и передачи за единицу времени) в такие системы интегрируют оптические вихри – световые пучки с вращательным движением частицы вокруг центральной точки. Они позволяют кодировать информацию в многомерных состояниях, «упаковывая» несколько квантовых битов в один фотон (частицу света). Такой сигнал лучше сопротивляется атмосферным помехам, его сложно незаметно перехватить благодаря узкой направленности, а быстрое переключение состояний вихря открывает путь к высокоскоростной передаче.
Критически важным условием при этом становится сохранение взаимозависимости квантовых состояний двух или более частиц при прохождении луча через оптические схемы. Такое явление называется квантовой запутанностью и оно необходимо для работы сетей в реальных условиях без постоянной подстройки под внешние шумы.
Однако практическое внедрение оптических вихрей в системы квантовой телепортации сдерживается рядом проблем: потери сигнала из-за взаимодействия со средой, сложность синхронизации узлов, зависимость от импортного оборудования, а также высокая чувствительность вихрей к турбулентности, дефектам волокон и тепловым искажениям, что требует применения систем адаптивной коррекции. Несмотря на технические сложности, эта задача остается одним из перспективных направлений для создания масштабируемых и надежных квантовых сетей будущего.
«Мы провели цикл исследований, направленных на формирование так называемого оптического вихря, необходимого для кодирования информации в многомерных состояниях. Для решения этой задачи мы использовали уголковые отражатели, представляющие собой оптические устройства с тремя взаимно перпендикулярными отражающими гранями с сохранением поляризации. С помощью них совместно с коллегами из СПбГУ и НИУ МЭИ мы модифицировали схему прибора, который позволяет разделять лучи света на два фазосогласованных пучка, способствующих генерации оптического вихря». – Профессор кафедры лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Юрьевич Венедиктов
В основе метода лежит комбинация двух уголковых отражателей, при сопряжении которых под заданным углом и нанесении расчетного оптического покрытия формируется строго детерминированная секторная структура с управляемым фазовым сдвигом и поляризацией.
Первоначально метод был отработан в интерферометре (оптическом приборе) Майкельсона: после разделения и рекомбинации оптических пучков было подтверждено формирование поляризационного оптического вихря, в котором каждый сектор характеризуется индивидуальным состоянием поляризации.
«Для перехода к работе с квантово-запутанными фотонами оптическая схема была модернизирована для работы по принципу разделения одного луча на два, прохождения ими разных путей и последующего их сведения для получения интерференционной картины – узора из чередующихся цветных полос при наложении двух и более световых волн. Благодаря специально подобранной последовательности поворотов и коррекции поляризационных состояний нам удалось сохранить многоуровневую структуру пучка и не разрушить квантовую корреляцию между фотонами. Кроме того, мы реализовали альтернативную архитектуру тракта, предусматривающую локальную компенсацию и точное управление поляризацией на каждом этапе, что критически важно для систем квантовой связи и квантовой криптографии». – Доцент кафедры ЛИНС СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Алексеевич Севрюгин
Исследования проводились при участии ученых Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», Санкт-Петербургского государственного университета и Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт». Результаты опубликованы в Оптическом журнале.