Eng: Quantum communication over long distances is integral to information security and has been demonstrated in free space and fibre with two-dimensional states, recently over distances exceeding 1200 km between satellites. But using only two states reduces the information capacity of the photons, so the link is secure but slow. To make it secure and fast requires a higher-dimensional alphabet, for example, using patterns of light, of which there are an infinite number.

Credit: Wits University

One such pattern set is the orbital angular momentum (OAM) of light. Increased bit rates can be achieved by using OAM as the carrier of information. However, such photon states decay when transmitted over long distances, for example, due to mode coupling in fibre or turbulence in free space, thus requiring a way to amplify the signal. Unfortunately such “amplification” is not allowed in the quantum world, but it is possible to create an analogy, called a quantum repeater, akin to optical fibre repeaters in classical optical networks.

An integral part of a quantum repeater is the ability to entangle two photons that have never. This allows the establishment of entanglement between two distant points without requiring one photon to travel the entire distance, thus reducing the effects of decay and loss. An outcome of this is that the information of one photon can be transferred to the other, a process called teleportation. If two photons are entangled and you change a value on one of them, then other one automatically changes too. This happens even though the two photons are never connected and, in fact, are in two completely different places.

Ro: Comunicarea cuantică pe distanțe lungi este sigură în fața securității informatice și a fost demonstrată recent în spațiul liber și în fibra cu stări bidimensionale, depășind 1200km între sateliți. Dar folosind doar două stări se reduce capacitatea de a reține informații ale fotonilor, deci legătura este sigură, dar înceată. Pentru a o face mai rapidă este nevoie de un alfabet cu mai multe dimensiuni, de exemplu utilizând modele de lumină, din care există o infinitate.

Un astfel set de modele este momentul magnetic orbital de lumină, cu care se pot obține rate mai mari de transmitere a datelor. Pentru că astfel de stări ale fotonilor scad când sunt transmise pe distanțe lungi, este nevoie de amplificatoare, care nu sunt permise în lumea cuantică. Se poate totuși crea o analogie, un emițător cuantic, asemănător cu cel folosit în rețelele de fibră optică.

O parte integrală din emițătorul cuantic constă în abilitatea acestuia de a amesteca doi fotoni care nu au mai interacționat. Acest proces permite crearea unei rețele între fotoni fără a fi nevoie ca ambii să călătorească toată distanța, deci reducând efectele pierderilor. Deci un rezultat este faptul că informația pe care un foton o deține poate fi transferată altuia, acest proces purtând numele de teleportare. Dacă doi fotoni sunt legați și se poate modifica valoarea unuia, atunci și celălalt își va modifica valoarea. Acest lucru se întâmplă chiar dacă cei doi fotoni nu au fost niciodată conectați și chiar dacă sunt în locații complet diferite.

Source (University of the Witwatersrand. “Quantum teleportation of patterns of light: Technique paves the way for high bit-rate secure long distance quantum communication.” ScienceDaily. ScienceDaily, 21 September 2017.)