211service.com
Viens fotons nes 10 bitus informācijas
Atsevišķi fotoni ir ideāli piemēroti informācijas sūtīšanai digitālā formātā, lai katrs fotons kodē 0 vai 1. Tādā gadījumā ir viegli iedomāties, ka tie ir visi dati, ko var saturēt viens fotons. Ne tā! Teorētiski informācijas apjomam, ko viens fotons var kodēt, nav ierobežojumu.
Un tas rada interesantu jautājumu. Cik daudz informācijas fiziķi praksē var iesaiņot vienā fotonā? Ko pieļauj pašreizējās tehnoloģijas?
Šodien mēs saņemam atbildi, pateicoties Tristana Tentrupa un viņa draugu darbam Tventes universitātē Nīderlandē. Viņi pirmo reizi ir iesaiņojuši vairāk nekā 10 bitus vienā fotonā.
Viņu metode teorētiski ir vienkārša. Šī pieeja ir saistīt vienu fotonu ar unikālu alfabēta locekli. Ja alfabētā ir daudz dalībnieku, fotons satur daudz informācijas.
Nav grūti saprast, kāpēc. Ja alfabētā ir tikai divi elementi, piemēram, binārais kods, katrs elements kodē vienu informācijas bitu. Tas ir informācijas apjoms, kas nepieciešams, lai aprakstītu katru simbolu alfabētā.
Bet, ja alfabēts ir lielāks, ir nepieciešams vairāk informācijas, lai unikāli aprakstītu katru dalībnieku. Tātad katrs dalībnieks var iekodēt šo datu apjomu.
Faktisko informācijas apjomu žurnāls norāda uz 2. bāzi no dalībnieku skaita. Piemēram, 10 simbolu alfabētā, piemēram, katrs decimālskaitlis, katrs simbols kodē apmēram 3,3 bitus. 26 simbolu alfabētā, piemēram, angļu alfabētā, katrs simbols kodē 4,7 bitus. Un tā tālāk.
Tentrup un co sasniedz savu mērķi, izveidojot alfabētu ar 9072 simboliem. Tādā gadījumā katrs simbols kodē vairāk nekā 13 informācijas bitus.
Šī alfabēta izveide ir vienkārša. Tentrup un co to dara, definējot 112 x 81 pikseļu režģi — tas ir 9072 no tiem. Katrs pikselis apzīmē citu alfabēta simbolu. Lai kodētu fotonu ar kādu no šiem simboliem, viss, kas viņiem jādara, ir jānovirza fotons pret šo režģa daļu. Tātad, kad konkrēts pikselis reģistrē fotona ierašanos, tas reģistrē šo simbolu.
Sarežģītākā daļa ir to izdarīt precīzi ar atsevišķiem fotoniem. Viens no veidiem, kā vadīt fotonus, ir noliecams spogulis, kas tos vienkārši atspoguļo noteiktā, vadāmā virzienā. Bet Tentrup un co izmanto elastīgāku ierīci, ko sauc par telpisko gaismas modulatoru, kas maina fotona viļņu fronti, kad tas to atspoguļo. Tas izmanto difrakcijas efektus, lai virzītu fotonu uz mērķi.
Atsevišķu fotonu noteikšana ir arī potenciāla banāna āda, jo jebkura izkliedēta gaisma var pārslogot signālu. Tentrup un co ir ērts triks, kā to novērst. Tā vietā, lai izveidotu atsevišķus fotonus, viņi tos veido pa pāriem un, izmantojot šo stūres mehānismu, kodē tikai vienu no tiem ar informāciju. Viņi uzmana otru kā brīdinājumu, ka pirmais drīz nonāks pie pikseļa.
Tas ļauj viņiem ieslēgt pikseļus tajā pašā mirklī, kad pienāk pirmais fotons. Un tas ievērojami samazina iespēju, ka klaiņojošs fotons pārņem signālu. Neskatoties uz to, troksnis joprojām ietekmē, un fotoni galu galā nes nedaudz mazāk informācijas nekā teorētiskais maksimums.
Rezultāti tomēr ir iespaidīgi. Mēs demonstrējam atsevišķu fotonu augstas dimensijas kodēšanu, kas sasniedz 10,5 bitus uz fotonu, teiksim Tentrup un co. Tas ievērojami uzlabo iepriekšējo rekordu, kas ir tikai septiņi biti uz fotonu, un nekavējoties ierosina veidus, kā kodēt vēl vairāk, palielinot režģa izmēru.
Darbam ir tūlītēja pieteikšanās. Fiziķi jau izmanto informāciju, kas kodēta atsevišķos fotonos, tādiem lietojumiem kā atslēgu izplatīšana kvantu kriptogrāfijā.
Šī informācija pašlaik ir kodēta atsevišķos fotonos, izmantojot bināro kodu 0s un 1s. Bet jaunā tehnika nekavējoties ļauj katram fotonam pārvadāt par lielumu vairāk. Ļoti daudzsološs virziens šim darbam būtu liela telpiskā alfabēta kodēšanas ieviešana kvantu atslēgu izplatīšanai, saka Tentrup un co.
Tāpēc mums, iespējams, nebūs ilgi jāgaida, lai redzētu šo rekordlielo tehnoloģiju darbībā.
Atsauce: http://arxiv.org/abs/1609.04200 : pārraida vairāk nekā 10 bitus ar vienu fotonu