Uma nova reviravolta na comunicação quântica em fibra

Sep 26, 2023

24 de janeiro de 2020

pela Wits University

Uma nova pesquisa realizada na Universidade de Witwatersrand em Joanesburgo, África do Sul, e na Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhang em Wuhan, China, tem implicações empolgantes para a transferência segura de dados em redes de fibra óptica. A equipe demonstrou que vários padrões quânticos de luz torcida podem ser transmitidos através de um link de fibra convencional que, paradoxalmente, suporta apenas um padrão. A implicação é uma nova abordagem para a realização de uma futura rede quântica, aproveitando múltiplas dimensões da luz quântica emaranhada.

A Science Advances publicou a pesquisa de uma equipe liderada pelo professor Andrew Forbes, da Escola de Física da Wits University, em colaboração com uma equipe liderada pelo professor Jian Wang no HUST. Em seu artigo, intitulado “Transporte de emaranhamento multidimensional através de fibra monomodo”, os pesquisadores demonstram um novo paradigma para a realização de uma futura rede quântica. A equipe mostrou que vários padrões de luz são acessíveis após um link de comunicação de fibra óptica convencional que, paradoxalmente, só pode suportar um único padrão. A equipe conseguiu esse truque quântico ao emaranhamento de engenharia em dois graus de liberdade de luz, polarização e padrão, passando o fóton polarizado pela fibra e acessando os muitos padrões com o outro fóton.

“Em essência, a pesquisa introduz o conceito de comunicação através de redes de fibra herdadas com estados emaranhados multidimensionais, reunindo os benefícios da comunicação quântica existente com fótons polarizados com a comunicação de alta dimensão usando padrões de luz”, diz Forbes.

Os sistemas de comunicação atuais são muito rápidos, mas não são fundamentalmente seguros. Para torná-los seguros, os pesquisadores usam as leis da natureza para codificação, explorando as propriedades peculiares do mundo quântico, como no caso do uso da distribuição de chaves quânticas (QKD) para comunicação segura.

"Quantum" aqui se refere à "ação fantasmagórica à distância" tão abominada por Einstein: emaranhamento quântico. Nas últimas décadas, o emaranhamento quântico foi amplamente explorado para uma variedade de protocolos de informação quântica, tornando a comunicação mais segura por meio do QKD. Usando os chamados "qubits" (estados quânticos 2-D), a capacidade de informação é limitada, mas é fácil atingir tais estados através de links de fibra usando a polarização como um grau de liberdade para a codificação. O padrão espacial da luz, seu padrão, é outro grau de liberdade que tem o benefício da codificação de alta dimensão. Existem muitos padrões a serem usados, mas, infelizmente, isso requer cabo de fibra ótica personalizado e, portanto, inadequado para as redes existentes. No presente trabalho, a equipe encontrou uma nova maneira de equilibrar esses dois extremos, combinando qubits de polarização com modos espaciais de alta dimensão para criar estados quânticos híbridos multidimensionais.

"O truque era torcer um fóton na polarização e torcer o outro no padrão, formando uma 'luz em espiral' emaranhada em dois graus de liberdade", diz Forbes. "Como o fóton emaranhado de polarização tem apenas um padrão, ele pode ser enviado pela fibra monomodo (SMF) de longa distância, enquanto o fóton de luz torcida pode ser medido sem a fibra, acessando padrões trançados multidimensionais no livre espaço. Essas torções carregam momento angular orbital (OAM), um candidato promissor para codificar informações."

A comunicação quântica com modos espaciais de alta dimensão (por exemplo, modos OAM) é promissora, mas só é possível em fibra multimodo especialmente projetada, que, no entanto, é bastante limitada pelo ruído de acoplamento de modo (padrão). A fibra monomodo está livre desse "acoplamento padrão" (que degrada o emaranhamento), mas só pode ser usada para emaranhamento de polarização bidimensional.