Valon piilo-ominaisuudet pelastavat kvantti-informaation kaaokselta

Tutkijat ovat vuosien ajan yrittäneet valjastaa valon "kiertymän" tiedonsiirtoon. Tämä ominaisuus kuvaa, kuinka valo liikkuu spiraalimaisesti kulkiessaan eteenpäin, ja koska se voidaan muovata käytännössä äärettömän moneksi erilaiseksi kierteeksi, se tarjoaa massiivisen suurikapasiteettisen aakkoston tiedonsiirtoon.

Tämä kiertynyt valo on osoittautunut tunnetusti hauraaksi todellisissa ympäristöissä, kuten huonolla säällä, ilmakehän turbulenssissa ja vedessä. Kun se kulkee näiden kaoottisten väliaineiden läpi, kiertynyt kuvio muuttuu täysin tunnistamattomaksi, mikä on merkittävä historiallinen este, joka on pysäyttänyt tämän lupaaman suuren aakkoston käytön globaalissa viestinnässä.

University of the Witwatersrandin tutkijat siirsivät huomionsa kvanttivalon hauraan fyysisen rakenteen suojaamisesta sen sisällä olevan syvemmän matemaattisen ominaisuuden, topologian, tutkimiseen. Topologia on matemaattinen ominaisuus, jonka avulla rakennetta voidaan voimakkaasti litistää ja muuttaa muodonmuutosta menettämättä sen ydininformaatiota.

Tähän asti tieteilijät ovat aina ajatelleet, että topologian täytyy rakentua valon kestävistä ominaisuuksista selviytyäkseen. Witsin tutkijat kysyivät, mitä tapahtuisi, jos he käyttäisivät sen sijaan valon haurasta kiertymistä yhden kriittisen edun vuoksi: nämä kiertyvät rakenteet ovat luonnostaan ja vapaasti läsnä kvanttivaloa luotaessa. Koska niiden suunnittelu ei vaadi ylimääräistä vaivaa, topologia on käytännössä saatavilla ilmaiseksi.

Tutkimusryhmä osoitti, että nämä piilevät topologiset invariantit pysyivät täysin ehjinä kulkiessaan voimakkaan ilmakehän turbulenssin läpi, vaikka ne hauraat ja kiertyvät rakenteet, joille ne oli rakennettu, rappeutuivat voimakkaasti. Kokeilu ilmakehän turbulenssissa oli esimerkkinä stokastisista tai kaoottisista medioista.

”Havaitsimme fyysisten kuvioiden vääristyvän äärimmäisen turbulenssin alla, ja perinteinen kvanttiyhteys heikkeni vakavasti. Koska topologia on kuitenkin luonnostaan upotettu itse lomittuneisuuteen, se pysyi täysin ehjänä”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja Tatjana Kleine. ”Fyysiset rakenneosat itsessään ovat hauraita, mutta niiden päälle rakennettu topologia on tuhoutumaton.”

Jopa kohdassa, jossa valo vääristyy tunnistamattomaksi huonon sään vuoksi ja lomittuminen hämärtyy, topologinen luku näkyy vahingoittumattomana.

”Meillä on siten jälleen pääsy tähän valtavaan spatiaalisten moodien aakkosiin, kunhan tarkastelemme topologiaa itse tilan sijaan”, sanoo professori Andrew Forbes, Witsin fysiikan tiedekunnan strukturoidun valon laboratorion johtaja.

Tiimi uskoo, että tämä löytö avaa uudelleen pitkään uinuneita väyliä turvalliseen kommunikointiin käyttämällä meille vapaasti saatavilla olevaa valon moniulotteista ominaisuutta. Vielä parempaa on, että näitä tiloja voidaan helposti skaalata korkeampiin ulottuvuuksiin, mikä parantaa kommunikoinnin turvallisuutta realistisissa, tosielämän olosuhteissa.

Aiheesta aiemmin:

Kieron valon aistimista ja fotoniikkaa

Kierretyllä valolla siirtyy enemmän dataa