ファイバーにおける量子通信に新たなひねりを加える

Sep 26, 2023

2020年1月24日

ウィッツ大学著

南アフリカのヨハネスブルグにあるウィットウォータースランド大学と中国の武漢にある華張科技大学で行われた新しい研究は、光ファイバーネットワークを介した安全なデータ転送に関して興味深い意味を持っています。 研究チームは、逆説的に 1 つのパターンのみをサポートする従来のファイバー リンクを介して、ツイスト光の複数の量子パターンを伝送できることを実証しました。 これは、もつれた量子光の多次元を利用する、将来の量子ネットワークを実現するための新しいアプローチを意味します。

Science Advances は、ウィッツ大学物理学部のアンドリュー・フォーブス教授率いるチームと、HUST の Jian Wang 教授率いるチームが共同で行った研究を発表しました。 「シングルモードファイバーを介した多次元エンタングルメント伝送」と題された論文の中で、研究者らは、将来の量子ネットワークを実現するための新しいパラダイムを実証しています。 研究チームは、逆説的に単一のパターンしかサポートできない従来の光ファイバーの通信リンクの後に、複数のパターンの光にアクセスできることを示しました。 研究チームは、偏光とパターンという光の 2 つの自由度のもつれを工学的に設計し、偏光した光子をファイバーに通して他の光子で多くのパターンにアクセスすることで、この量子トリックを達成しました。

「本質的に、この研究は、多次元のもつれ状態を持つ従来のファイバーネットワークを介して通信するという概念を導入し、偏光子を使用した既存の量子通信の利点と、光のパターンを使用した高次元通信の利点を組み合わせたものです」とフォーブスは述べています。

現在の通信システムは非常に高速ですが、根本的に安全ではありません。 それらを安全にするために、研究者は、安全な通信に量子鍵配布 (QKD) を使用する場合など、量子の世界の奇妙な特性を利用して、自然法則を暗号​​化に使用します。

ここでの「量子」とは、アインシュタインが嫌悪した「離れた場所での不気味な作用」、つまり量子のもつれを指します。 過去数十年にわたり、量子もつれはさまざまな量子情報プロトコルで広範囲に研究され、特に QKD を通じて通信の安全性が高まりました。 いわゆる「量子ビット」（2 次元量子状態）を使用すると、情報容量は制限されますが、符号化の自由度として偏光を使用すると、ファイバー リンク全体でそのような状態を達成するのは簡単です。 光の空間パターン、そのパターンは、高次元エンコードの利点をもたらすもう 1 つの自由度です。 使用するパターンは多数ありますが、残念ながら、カスタムの光ファイバー ケーブルが必要となるため、既存のネットワークには適していません。 今回の研究でチームは、偏光量子ビットと高次元空間モードを組み合わせて多次元ハイブリッド量子状態を作成することにより、これら 2 つの極端なバランスを取る新しい方法を発見しました。

「その秘訣は、一方の光子を偏光でねじり、もう一方の光子をパターンでねじって、2 つの自由度に絡み合った『らせん状の光』を形成することでした」とフォーブスは述べています。 「偏光もつれ光子はパターンが 1 つしかないため、長距離シングルモード ファイバー (SMF) を介して送信できますが、ねじれ光子はファイバーなしで測定でき、自由な空間で多次元ねじれパターンにアクセスできます。これらのねじれは、情報を符号化するための有望な候補である軌道角運動量 (OAM) を運びます。」

高次元空間モード (OAM モードなど) を使用した量子通信は有望ですが、特別に設計されたマルチモード ファイバーでのみ可能ですが、モード (パターン) 結合ノイズによって大幅に制限されます。 シングルモード ファイバにはこの「パターン結合」（もつれを悪化させる）はありませんが、2 次元の偏波もつれにのみ使用できます。

「出版された研究の新規性は、従来のシングルモードファイバーにおける多次元もつれ輸送の実証です。光は 2 つの自由度でねじれています。偏光はらせん状の光を形成するためにねじれており、パターンもねじれています。これは、これはスピン軌道結合と呼ばれるもので、ここでは量子通信に利用されています」とフォーブスは述べています。 「それぞれの送信は依然として量子ビット (2 次元) に過ぎませんが、他の光子に絡ませることができるねじれたパターンの数が無限であるため、送信の数は無限に存在します。」

研究チームは、250 m のシングルモード ファイバーにわたる多次元もつれ状態の伝達を実証し、無限の数の 2 次元部分空間が実現できることを示しました。 各サブスペースは、情報を送信したり、複数の受信者に情報を多重化したりするために使用できます。

「この新しいアプローチの結果、高次元 OAM ヒルベルト空間全体にアクセスできるようになりますが、アクセスできるのは一度に 2 次元になります。ある意味、これは単純な 2 次元アプローチと真の高次元アプローチの間の妥協点です。」と彼は言います。フォーブス。 重要なのは、高次元の状態は従来のファイバー ネットワークでの送信には適さないのに対し、この新しいアプローチによりレガシー ネットワークの使用が可能になるということです。

詳しくは： J. Liu et al.、「シングルモードファイバーを介した多次元エンタングルメント輸送」、Science Advances (2020)。 Advances.sciencemag.org/content/6/4/eaay0837

雑誌情報:科学の進歩

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