研究人员利用量子纠缠光束的空间相关性证明了安全的信息传输
发布时间：2023-06-06 08:00:00 阅读数： 91
一个热的85Rb蒸气室被用作产生量子相关双光束的FWM过程所需的非线性介质，我们称之为探针和共轭。FWM是基于85Rb的D1线的双Λ配置，如顶部插图所示。泵浦光束从一个SLM上反射，SLM上印有相位图案，以获得泵浦必要的动量分布（角谱）。然后，相位结构的泵被通过4f光学系统成像到细胞的中心。最后，探针和共轭光束的动量分布被映射到使用f-to-f成像系统的远场EMCCD相机上的位置分布。用EMCCD获得的图像然后被用来测量空间相关性的分布，并提取双子束中的编码信息。为了产生明亮的双光束，我们用输入探针光束作为FWM的种子，以达到每个输出光束的光子通量∼1014光子/秒，这受到EMCCD饱和度的限制。SLM - 空间光调制器；EMCCD - 电子倍增电荷耦合器件。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adf9161
俄克拉荷马大学的研究人员领导的一项研究最近发表在《科学进展》上，证明了利用量子纠缠光束的空间相关性来编码信息并使其安全传输的原理。
光可以用来为高数据率传输、长距离通信等编码信息。但是对于安全通信来说，用光来编码大量的信息对确保所传输数据的隐私和完整性有额外的挑战。
霍默-L-道奇艺术学院的泰德-S-韦伯总统教授阿尔贝托-马里诺与俄亥俄大学的博士生和该研究的第一作者高拉夫-尼拉拉以及共同作者西瓦-T-普拉迪姆纳和阿肖克-库马尔共同领导了这项研究。马里诺还在俄亥俄大学的量子研究和技术中心以及橡树岭国家实验室的量子科学中心任职。
"该项目背后的想法是能够利用光的空间特性来编码大量的信息，就像图像包含信息一样。然而，能够以一种与量子网络兼容的方式进行安全信息传输。当你考虑一个图像时，它可以通过结合被称为模式的基本空间模式来构建，并且取决于你如何结合这些模式，你可以改变图像或编码信息，"马里诺说。
"他补充说："我们在这里所做的新的和不同的是，我们不只是使用这些模式来编码信息；我们还使用它们之间的相关性。"我们正在使用关于这些模式如何联系的额外信息来编码信息。"
画面（A）和（E）显示了要在双子束的空间交叉关联中编码的目标信息。目标用于计算相应的CGH（B）和（F），采用MRAF算法。SLM像素的尺寸（12.5μm×12.5μm）和它的8位分辨率以及f-to-f成像系统被考虑在内，以计算帧（C）和（G）的模拟交叉相关。如图（D）和（H）所示，探针和共轭强度波动之间测量的空间交叉相关显示了编码信息。除了帧（B）和（F），每个像素值被归一化为图像中所有像素的振幅平方之和，以提供模拟和实验之间更好的比较。由于非理想设置和CGH导致的非均匀分布，实验和模拟数据的交叉相关的最大值比目标大。人们可以注意到，在测量的空间交叉关系中，有一个小的旋转（5◦），这是由于实验对准的不完善。除CGH外，所有数字都是以EMCCD像素为基础，像素大小为16μm×16μm。CGH帧（B）和（F）的色条对应于0到2π范围内的相位的8位编码。关于测量程序和空间交叉关系的计算的详细解释。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adf9161
研究人员使用了两束纠缠的光，这意味着光波之间的关联性要比经典光所能达到的关联性更强，而且尽管它们之间有一定的距离，但仍然是相互联系的。
"我们引入的方法的优点是，除非你对两个纠缠的光束进行联合测量，否则你无法恢复编码的信息，"马里诺说。"这具有安全通信等应用，因为如果你要单独测量每个光束，你将无法提取任何信息。你必须获得两个光束之间的共享信息，并以正确的方式将其结合起来，以提取编码信息。"
通过一系列的图像和相关测量，研究人员展示了在这些量子纠缠的光束中成功编码信息的结果。只有当这两束光使用预定的方法结合起来时，信息才解析为以图像形式编码的可识别的信息。
"尼拉拉说："这个实验结果描述了人们如何将空间模式从一个光场转移到两个新的光场，这个光场是用一种叫做四波混合的量子力学过程产生的。"编码的空间模式可以完全通过对生成的场的联合测量来检索。这个实验的一个有趣的方面是，它提供了一种新的方法，通过修改各种空间模式之间的相关性而不影响时间相关性来编码光的信息。"
"马里诺说："原则上，这可以实现的是利用光的空间属性安全地编码和传输大量信息的能力，就像一幅图像包含的信息比仅仅打开和关闭灯光要多得多。"利用空间相关性是一种新的信息编码方法。"
"纠缠的双子光束的空间相关性中的信息编码 "发表在《科学进展》上。
更多信息：Gaurav Nirala et al, Information encoding in the spatial correlations of entangled twin beams, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf9161
