Une nouvelle tournure sur la communication quantique dans la fibre

Sep 26, 2023

24 janvier 2020

par l'Université Wits

De nouvelles recherches menées à l'Université du Witwatersrand à Johannesburg, en Afrique du Sud, et à l'Université des sciences et technologies de Huazhang à Wuhan, en Chine, ont des implications intéressantes pour le transfert sécurisé de données sur les réseaux de fibre optique. L'équipe a démontré que plusieurs modèles quantiques de lumière torsadée peuvent être transmis sur 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, exploitant de multiples dimensions de lumière quantique intriquée.

Science Advances a publié la recherche 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 de HUST. Dans leur article, intitulé "Transport d'enchevêtrement multidimensionnel à travers la fibre monomode", les chercheurs démontrent un nouveau paradigme pour la réalisation d'un futur réseau quantique. L'équipe a montré que plusieurs modèles de lumière sont accessibles après une liaison de communication de fibre optique conventionnelle qui, paradoxalement, ne peut supporter qu'un seul modèle. L'équipe a réalisé cette astuce quantique en concevant un enchevêtrement dans deux degrés de liberté de lumière, de polarisation et de motif, en faisant passer le photon polarisé dans la fibre et en accédant aux nombreux motifs avec l'autre photon.

"Essentiellement, la recherche introduit le concept de communication à travers les réseaux de fibres hérités avec des états intriqués multidimensionnels, réunissant les avantages de la communication quantique existante avec des photons polarisés avec ceux de la communication de haute dimension utilisant des modèles de lumière", déclare Forbes.

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

"Quantum" fait ici référence à "l'action fantasmagorique à distance" tant 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, rendant notamment la communication plus sécurisée via QKD. En utilisant ce que l'on appelle des "qubits" (états quantiques 2-D), la capacité d'information est limitée, mais il est facile d'atteindre de tels états à travers des liaisons fibre en utilisant la polarisation comme degré de liberté pour le codage. Le motif spatial de la lumière, son motif, est un autre degré de liberté qui bénéficie 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 présent travail, l'équipe a trouvé une nouvelle façon d'équilibrer ces deux extrêmes en combinant des qubits de polarisation avec des modes spatiaux de haute dimension pour créer des états quantiques hybrides multidimensionnels.

"L'astuce consistait à tordre un photon en polarisation et à tordre l'autre en motif, formant une" lumière en spirale "qui est enchevêtrée dans deux degrés de liberté", explique Forbes. "Étant donné que le photon enchevêtré par polarisation n'a qu'un seul motif, il pourrait être envoyé sur la fibre monomode longue distance (SMF), tandis que le photon léger torsadé pourrait être mesuré sans la fibre, accédant à des motifs torsadés multidimensionnels dans le libre Ces torsions transportent le moment angulaire orbital (OAM), un candidat prometteur pour le codage de l'information.

La communication quantique avec des modes spatiaux de grande dimension (par exemple, les modes OAM) est prometteuse, mais n'est possible que dans une fibre multimode spécialement conçue, qui est cependant fortement limitée par le bruit de couplage de mode (motif). La fibre monomode est exempte de ce "couplage de motif" (qui dégrade l'enchevêtrement) mais ne peut être utilisée que pour l'enchevêtrement de polarisation bidimensionnelle.

"La nouveauté dans les travaux publiés est la démonstration du transport d'enchevêtrement multidimensionnel dans une fibre monomode conventionnelle. La lumière est tordue selon deux degrés de liberté : la polarisation est tordue pour former une lumière en spirale, tout comme le motif. C'est appelé couplage spin-orbite, ici exploité pour la communication quantique », explique Forbes. "Chaque transmission n'est encore qu'un qubit (2-D) mais il y en a un nombre infini en raison du nombre infini de motifs torsadés 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 pouvait être réalisé. Chaque sous-espace peut être utilisé pour envoyer des informations ou multiplexer des informations à plusieurs récepteurs.

"Une conséquence de cette nouvelle approche est que l'ensemble de l'espace OAM Hilbert de haute 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 de haute dimension", déclare Forbes. Il est important de noter que les états de grande dimension ne conviennent pas à la transmission sur des réseaux de fibre conventionnels, alors que cette nouvelle approche permet d'utiliser des réseaux hérités.

Plus d'information: J. Liu et al., "Transport d'enchevêtrement multidimensionnel à travers une fibre monomode", Science Advances (2020). advances.sciencemag.org/content/6/4/eaay0837

Informations sur la revue :Avancées scientifiques

Fourni par l'Université Wits