Передача інформації закрученими фотонами працює і в реальній атмосфері

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 67

Ріс. 1. Загальна схема експериментів, описаних у статті. Інформація, закодована в лазерному світлі за допомогою різних фазових платівок (приклади показані ліворуч), передавалася по відкритій атмосфері над вечірньою Віднем. Приймач реєстрував на екрані якийсь візерунок (праворуч), який автоматично аналізувався самонавчальною нейронною мережею, і по ньому відновлювалася інформація (в даному випадку — колір чергового пікселя в переданому графічному зображенні). Зображення з обговорюваної статті

Для передачі квантової інформації за допомогою фотонів зазвичай використовується поляризація світла. Однак дуже привабливі перспективи відкриються, якщо для тієї ж мети приручити іншу характеристику фотонів — їх «закрученість». Досі вважалося, що передача фотонів на кілометрові відстані через реальну турбулентну атмосферу сильно спотворить сигнал і призведе до втрати інформації про закрученість. Нові і досить прості експерименти австрійської групи фізиків під керівництвом Антона Цайлінгера доводять, що це не так.

Фотони як носії інформації

Інформаційні технології майбутнього можуть базуватися не тільки на звичній для нас електроніці, а й на маніпуляції з окремими фотонами. Цей напрямок здається дуже багатообіцяючим не тільки через високу швидкість роботи і низького енергоспоживання фотонних пристроїв, але і завдяки тому, що на окремих фотонах можна реалізувати квантову лінію зв’язку. Звичайна класична цифрова інформація кодується окремими бітами — комірками пам’яті, які можуть знаходитися тільки в двох станах, «0» або «1». Квантова інформація записується в кубітах, які можуть бути не тільки в двох базисних станах, але і в їхній довільній квантовій суперпозиції. Таким чином, кубіту доступні не два, а нескінченно багато станів, що заповнюють почесний простір. На додаток до цього, використовуючи специфічне для квантової механіки явище квантової заплутаності декількох частинок, можна забезпечити надзащищений протокол передачі конфіденційної інформації.

Фотони — абсолютно природні кандидати для фізичної реалізації кубітів. Два базисних стани — це дві взаємно ортогональні поляризації фотона, а маніпуляція цією інформацією здійснюється за допомогою стандартних оптичних елементів. Передача квантової інформації, закодованої в поляризації світла, вже давно реалізована як по оптоволокну, так і по відкритому повітрю на відстань понад 100 км. Більш того, нещодавно була продемонстрована квантова лінія зв’язку між наземною базою і повітряним судном, так що супутниковий квантовий канал зв’язку глобального масштабу, мабуть, вже не за горами.

У цієї схеми є, втім, і свої труднощі. Почесний простір, доступний для одного кубіту, це звичайно добре, але пристрої повинні ще вміти розрізняти близькі, але відмінні стану, а це накладає серйозні вимоги на допустимий рівень шумів і на самі пристрої. Було б набагато зручніше, якби сам простір станів в окремому фотоні був не почесний, а багатовимірний. Але поляризація фотонів, на жаль, такої можливості не надає.

Однак тут на допомогу приходить зовсім інша характеристика, якою теж можуть володіти фотони — орбітальний кутовий момент фотонів, або, умовно кажучи, їх «закрученість» щодо напрямку поширення. Закручене світло, загалом, відоме давно, і в останні роки воно вже неодноразово застосовувалося для кодування інформації. Закрученість фотонів, порівняно з їхньою поляризацією, має ще більшу — і набагато більшу! — інформаційну ємність. Простір доступних станів тут не почесний, а, формально кажучи, нескінченний, і це дозволяє домогтися додаткового мультиплексування (див.: Orbital angular momentum multiplexing) в оптичній лінії зв’язку. Останній рекорд тут — це 100-терабитний канал, реалізований на одному 100-гігабітному носії, який використовує 12-мірний простір закручених станів. Існують навіть пропозиції використовувати мультиплексування по закрученості для зв’язку з міжпланетними космічними апаратами, де ємність каналів завжди була великою проблемою.

Це все чудово, але виникає питання: на які відстані по відкритому повітрю можна передавати інформацію, закодовану у вигляді закрученості фотонів? Навіть якщо мати на увазі космічний зв’язок, все одно спочатку сигнал повинен пройти кілька кілометрів крізь атмосферу. Тут проблема в тому, що закрученість світла з фізичної точки зору реалізується у вигляді незвичайного просторового розподілу світлової хвилі. Але якщо таке світло летить крізь звичайну турбулентну атмосферу, його просторовий розподіл може сильно спотворитися. І дійсно, лабораторні дослідження показують, що якщо на масштабі окремої лабораторії передача закрученості по повітрю ще працює, то на кілометрових відстанях стану з різною закрученістю починають перемішуватися один з одним. Це все ставить під сумнів практичну придатність закрученості фотонів для дальньої передачі інформації.

Днями в архіві е-принтів з’явилася стаття дослідницької групи з австрійського Інституту квантової оптики і квантової інформації під керівництвом Антона Цайлінгера (Anton Zeilinger), яка розсіює такі песимістичні прогнози. Вони продемонстрували досить просту і на диво надійну схему передачі інформації, закодованої у вигляді закрученості, на відстань 3 кілометри прямо над центром Відня (рис. 1). Чорно-білі зображення кодувалися у вигляді послідовності світлових імпульсів з різною закрученістю і попіксельно пересилалися приймаючій стороні. Незважаючи на турбулентність атмосфери і викликаного ним блукання лазерної плями на екрані приймача, зображення відновлювалося з високою точністю; ймовірність збою пікселя становила близько відсотка. Швидкість передачі була, звичайно, сміховинна — 4 пікселі в секунду, — але дослідники поки і не намагалися її оптимізувати. Вони лише довели, що на таких відстанях турбулентність — не перешкода, і що для роботи пристрою не потрібно ніякої адаптивної оптики або інших високотехнологічних інструментальних наворотів.

Подробиці роботи

Загальна схема експерименту показана на рис. 1. Сигнал передавався з вежі Центрального інституту метеорології та геодинаміки, а реєструвався на даху Інституту квантової оптики і квантової інформації. Зв’язок здійснювався за допомогою зеленого лазера потужністю 20 мВт за дуже простою методикою. Лазерний промінь модулювався за допомогою різноманітних фазових решіток, які перетворювали звичайний промінь на промінь з різною закрученістю. Телескопічна система розширювала промінь до 6 сантиметрів у діаметрі, і в такому вигляді він йшов через атмосферу і потрапляв на екран приймаючої сторони. Цей візерунок освітленості знімався на відеокамеру, зображення надходило в комп’ютер, і штучна нейронна мережа розшифровувала зображення, перетворюючи його на колірний код чергового пікселя.

Ріс. 2. Яскравість зображення на екрані від закручених станів різного типу. Якщо стан має суворо визначену закрученість з деяким L (верхній ряд), то освітленість має вигляд кільця. Якщо ж стан знаходиться в суперпозиції з закрученістю L і _ L, то на екрані з’являється «багаторістник» з 2L пелюстками. Колаж на основі малюнка зі статті V. D’Ambrosio et al. 2013. Photonic polarization gears for ultra-sensitive angular measurements

Все це здається досить банальним. Щоб розвіяти таке враження, варто пояснити кілька технічних, але важливих моментів цієї роботи.

• Набір закручених станів. Закрученість світла встановлюється цілим числом L; це число показує, скільки разів фаза світлової хвилі проходить повний цикл при обході навколо напрямку руху. Якщо взяти стан світла з строго визначеним значенням закрученості L і посвітити ним на екран, то освітленість матиме вигляд простого колічка (рис. 2, верхній ряд). Для різних значень L ці колечки злегка відрізняються своєю товщиною, але в цілому їх легко сплутати один з одним, особливо в присутності шумів.

Замість цього, у статті використовується суперпозиція закручених станів зі значеннями L і ‑ L. Такий світловий промінь дає на екрані вже не просто рівне кільце, а «багаторістник», в якому рівно 2L пелюсток (рис. 2, нижній ряд). Ось ці зображення вже помітно різняться для різних L. У статті використовувалися такі стани з L від 0 до 15 для кодування 16 градацій сірого; незакручений стан з L = 0 відповідав чорному кольору, а суперпозиція з L = 15 і ‑ 15 — білому. Атмосферна турбулентність дещо спотворювала форму пелюсток (див. рис. 1), але їх кількість у переважній більшості випадків залишалася незмінною. Саме це не давало втратити інформацію за рахунок турбулентності.

• Нейронна мережа. Коли на екрані приймаючої сторони висвічувався візерунок, що кодує черговий піксель, відеокамера знімала його у високій роздільній здатності і передавала в комп’ютер. Зображення потім розпізнавалося штучною нейронною мережею — комп’ютерною програмою, яка шляхом спонтанного навчання навчалася класифікувати патерни. У статті підкреслюється, що ніхто в мережу спочатку не закладав те, які на екрані повинні виникати візерунки. Просто після того, як на неї тисячі за тисячами надходили окремі «багаторістники» з фіксованим числом пелюсток, мережа поступово їх сама навчилася розрізняти і потім впевнено їх розпізнавала навіть при помітному рівні спотворень.

Тут є важлива тонкість. Через турбулентність атмосфери картинка на екрані не тільки злегка спотворювалася, але і смикалася з боку в бік. Для нейронної мережі це не стало проблемою; її ніхто не змушував розпізнавати чітко центровані картинки, вона сама адаптувалася до ситуації. Це означає, що такий пристрій зможе впоратися з розшифровкою сигналу, навіть коли він сильно спотворюється якимось певним чином. З цією мережею не треба «няньчитися», вона до багато чого адаптується сама.

• Яка роль закрученості? Може здатися, що в цій схемі закрученість світла взагалі ні до села, ні до міста. Відбувається, по суті, проста передача якихось картинок на далекий екран, а програма обробки просто класифікує картинки. З тим же успіхом ми могли б замість «багаторічників» передавати на екран зображення звичайних цифр: «0», «1», «2» тощо. Чим поганий такий варіант?

Він поганий тим, що такі зображення швидко розпливаються при відході від фокусу (не кажучи вже про технічну складність таких картинок). Те, що виглядає на екрані як чітка цифра «1» перетвориться на широку пляму незрозумілої форми на істотно більшій або меншій відстані (ті, хто налаштовував проектор для презентацій, прекрасно це знають). Перевага закручених станів — у виключній стійкості їх форми. Ви можете поставити екран у 10 разів ближче або далі, і від цього зміниться тільки розмір, але не форма зображення.

Приклади зображень, які надсилаються і отримуються таким способом, показано на рис. 3; всього було передано приблизно 450 різних зображень такого типу. Там же показана матриця перемішування між станами з різною закрученістю. Вона показує, що піксель, закодований закрученістю з якимось значенням L, в переважній більшості випадків абсолютно правильно розшифровувався нейронною мережею. Зрідка, приблизно в 1% випадків, мережа помилялася на 1 одиницю, і тоді відновлений колір пікселя був трохи темніше або трохи світліше вихідного, але в цілому зображення відновлювалося якісно.

Ріс. 3. Ліворуч: матриця перемішування між 16 станами світла з різною закрученістю при проходженні через 3 км турбулентної атмосфери; по вертикалі показані запущені закручені стани, по горизонталі — розпізнані. Білий колір по діагоналі показує, що кожен запущений стан майже напевно правильно відновлюється, і лише зрідка відбувається збій. Праворуч: Два приклади надісланих і отриманих зображень, переданих в експерименті. Зображення з обговорюваної статті

І останній момент, який корисно підкреслити. По правді кажучи, продемонстрований тут метод використовував передачу не квантової, а класичної інформації. Інформація кодувалася всього лише в просторовому розподілі інтенсивності світла на екрані, але не у фазі. Однак автори роботи провели також перші експерименти, які доводять застосовність цієї методики і для передачі квантової інформації. Конкретно, вони переконалися, що інформація, запасена у вигляді різниці фаз між закрученими станами L і ‑ L, не втрачається і практично не псується при проходженні через турбулентну атмосферу. Говорячи простими словами — картинка хоч спотворюється і тремтить, але не повертається. Щоправда, для справжнього експерименту з передачею квантової інформації їм доведеться використовувати іншу систему детектування, яка відчуває кореляції світлового поля по всьому екрану на рівні окремих фотонів. Але відповідні детектори в цій групі вже існують, так що, мабуть, нові експерименти очікуються в найближчому майбутньому.

Джерело: M. Krenn et al. Twisted light communication through turbulent air across Vienna // е-принт arXiv:1402.2602 [physics.optics].

Див. також:

Закручене світло і закручені електрони: огляд останніх результатів, «Елементи».

Ігор Іванов