Enkelt foton bærer 10 bits information

Enkeltfotoner er ideelt egnet til at sende information i digital form, så hver foton koder for et 0 eller et 1. I så fald er det nemt at forestille sig, at dette er alle de data, som en enkelt foton kan indeholde. Ikke så! I teorien er der ingen grænse for mængden af ​​information en enkelt foton kan kode.

Og det rejser et interessant spørgsmål. Hvor meget information kan fysikere pakke ind i en enkelt foton i praksis? Hvad tillader den nuværende teknologi?

I dag får vi svar takket være Tristan Tentrups og venners arbejde ved University of Twente i Holland. De har pakket mere end 10 bits i en enkelt foton for første gang.

Deres metode er i teorien ligetil. Fremgangsmåden er at forbinde en enkelt foton med et unikt medlem af et alfabet. Når alfabetet indeholder mange medlemmer, bærer fotonen masser af information.

Det er ikke svært at se hvorfor. Når et alfabet kun indeholder to medlemmer, såsom binær kode, koder hvert medlem en bit information. Dette er mængden af ​​information, der er nødvendig for at beskrive hvert symbol i alfabetet.

Men når alfabetet er større, kræver det mere information for at beskrive hvert medlem unikt. Så hvert medlem kan kode den mængde data.

Den faktiske mængde information er givet af loggen til base 2 af antallet af medlemmer. For eksempel, i et alfabet med 10 symboler, såsom hvert decimaltal, koder hvert symbol omkring 3,3 bit. I et alfabet på 26 symboler, såsom det engelske alfabet, koder hvert symbol 4,7 bit. Og så videre.

Tentrup og co når deres mål ved at skabe et alfabet med 9.072 symboler. I så fald koder hvert symbol mere end 13 bit information.

Det er nemt at oprette dette alfabet. Tentrup og co gør det ved at definere et 112 x 81 gitter af pixels - det er 9.072 af dem. Hver pixel repræsenterer et andet symbol i alfabetet. For at kode en foton med et af disse symboler, skal de blot pege fotonen mod den del af gitteret. Så når en specifik pixel registrerer ankomsten af ​​en foton, registrerer den det symbol.

Den vanskelige del er at gøre dette præcist med enkelte fotoner. En måde at styre fotoner på er med et vippespejl, der blot reflekterer dem i en bestemt, kontrollerbar retning. Men Tentrup og co bruger en mere fleksibel enhed kaldet en rumlig lysmodulator, som modificerer en fotons bølgefront, når den reflekterer den. Dette bruger diffraktionseffekter til at styre fotonen mod sit mål.

Detektering af enkelte fotoner er også en potentiel bananhud, da ethvert herreløst lys kan overvælde signalet. Tentrup og co har et handy trick til at forhindre dette. I stedet for at skabe enkelte fotoner, skaber de dem i par og koder kun én af dem med information ved hjælp af denne styremekanisme. De ser ud efter den anden som en advarsel om, at den første er ved at ankomme til pixlen.

Dette giver dem mulighed for at tænde for pixlen i det øjeblik, den første foton ankommer. Og dette reducerer dramatisk chancerne for, at en omstrejfende foton oversvømmer signalet. Ikke desto mindre har støj stadig en indvirkning, og fotonerne ender med at bære lidt mindre information end det teoretiske maksimum.

Resultaterne er ikke desto mindre imponerende. Vi demonstrerer højdimensionel kodning af enkelte fotoner, der når 10,5 bit pr. foton, siger Tentrup og co. Det forbedrer markant i forhold til den tidligere rekord på kun syv bit pr. foton og foreslår straks måder at kode endnu mere på ved at øge størrelsen af ​​gitteret.

Arbejdet har umiddelbare anvendelser. Fysikere bruger allerede information kodet i enkelte fotoner til applikationer såsom distribution af nøgler i kvantekryptografi.

Denne information er i øjeblikket kodet i enkelte fotoner ved hjælp af den binære kode 0'er og 1'er. Men den nye teknik tillader straks hver foton at bære en størrelsesorden mere. En meget lovende retning for dette arbejde ville så være implementeringen af ​​en stor-spatial-alfabet-kodning til kvantenøglefordeling, siger Tentrup og co.

Så vi behøver måske ikke vente længe på at se denne rekord-teknologi i aktion.

Ref: http://arxiv.org/abs/1609.04200 : Sender mere end 10 bit med en enkelt foton

skjule