비선형 광학을 사용하여 고차원의 공간적으로 복잡한 빛 상태를 전송하는 새로운 프로토콜 덕분에 양자 정보를 보다 효율적으로 전송할 수 있습니다. 남아프리카, 스페인, 독일의 연구자들이 개발한 이 프로토콜은 양자 순간이동과 유사하며 광자의 궤도 각 운동량 상태의 인코딩 정보에 의존합니다.

BB84와 같은 양자 통신 프로토콜은 두 당사자(일반적으로 Alice와 Bob으로 알려짐)가 안전하지 않은 링크를 통해 암호화된 정보를 교환할 수 있도록 허용하여 작동합니다. 이를 위해서는 얽힌 상태의 자원을 공유해야 합니다. 이러한 상태는 파괴하지 않고는 측정할 수 없으므로 얽힘을 공유하지 않는 제XNUMX자는 정보를 해독할 수 없습니다.

그러나 이 설정이 작동하려면 먼저 얽힌 상태를 생성하고 Alice와 Bob에게 안전하게 배포해야 합니다. 완벽한 보안을 위해서는 단일 얽힌 입자의 공유를 통해 이러한 배포가 이루어져야 합니다. 원래 BB84 프로토콜은 광자의 편광 상태에서 얽힘을 인코딩하여 이를 수행할 것을 제안했지만 이는 각 입자가 단일 비트의 얽힘만 전송할 수 있도록 허용합니다. 따라서 연구자들은 보다 효율적인 옵션을 모색해 왔습니다.

나선형 파면

유망한 가능성 중 하나는 궤도 각운동량과 같은 다른 광자 속성을 사용하는 것입니다. 이는 푸실리 나선과 같은 파면의 회전으로 인해 발생합니다. 각 파면은 파동함수가 공간의 동일한 지점에서 여러 값을 취하지 않도록 보장하기 위해 파장당 정수 횟수만큼 회전해야 하지만 이론적으로는 제한이 없습니다. 따라서 스핀 각운동량 양자수로 제공되는 분극과 달리 이는 양자화된 직교 상태의 무한 세트와 광자 장이 구조화될 수 있는 무한 차원 기반을 제공합니다.

에서 설명하는 새로운 작업에서 자연 통신, 가 이끄는 연구원 앤드류 포브스 Witwatersrand 대학의 연구진은 원칙적으로 Alice와 Bob이 단일 광자와 비선형 광학을 사용하여 그들 사이에 고차원 공간 정보를 전송할 수 있는 프로토콜을 보여줍니다. 이 프로토콜은 Bob이 레이저로 비선형 결정을 펌핑하여 (때때로) 자발적인 파라메트릭 하향 변환이라는 메커니즘을 통해 반대 궤도 각도 운동량을 갖는 한 쌍의 얽힌 저주파 광자를 생성할 때 시작됩니다. 각 쌍의 광자 하나가 Alice에게 전송되고 Bob은 다른 하나를 보유합니다.

한편 Alice는 자신의 레이저에서 방출되는 광자의 궤도 각 운동량으로 전송하려는 공간 정보를 인코딩합니다. 그녀는 이 광자를 두 번째 비선형 결정으로 유도하고, 이 결정도 Bob으로부터 광자를 받습니다. Bob의 광자는 정보를 전달하지 않지만 Alice의 수정에 들어갈 때 그 중 일부는 합주파수 생성이라는 또 다른 비선형 광학 과정을 거칩니다. 이는 사실상 자발적인 역방향 파라메트릭 하향 변환으로, Alice와 Bob의 광자가 동일하고 반대의 각 운동량을 갖는 경우 두 개의 광자가 때때로 더 높은 주파수의 단일 광자를 생성할 수 있습니다. Alice가 탐지기에 도달한 고주파 광자가 보고되면 Bob은 광자의 각운동량을 측정합니다.

자원으로서의 얽힘

특히 이 프로세스는 양자 중계기에서 요구되는 종류의 "얽힘 교환"을 달성하지 못합니다. 이를 위해서는 첫 번째 결정에 들어가는 광자가 두 번째 결정에서 나오는 광자와 얽혀야 하며, 앨리스가 결정으로 보낸 응집 상태는 밥에게 남아 있는 광자의 상태로 직접 전달되어야 합니다. 이를 위해서는 여기에 사용된 비선형 광학 장치에서 현재 가능한 것보다 상향 변환 및 하향 변환 프로세스에서 훨씬 더 큰 효율성이 필요합니다.

대신, 연구원들은 광자가 하향 변환과 합주파수 미분에 모두 참여하는 경우 Bob의 자발적인 파라메트릭 하향 변환 프로세스에서 전송되지 않은 광자는 Alice가 사용한 광자와 동일한 궤도 각운동량을 가져야 한다는 사실을 사용합니다. 공간 정보를 인코딩합니다. 따라서 자신의 전송되지 않은 광자를 측정함으로써 Bob은 정보를 해독할 수 있지만 이 광자가 부족한 사람은 누구도 그렇게 할 수 없습니다. 팀원은 “우리는 얽힘을 자원으로 사용합니다.”라고 설명합니다. 아담 발레스 바르셀로나에 있는 광자 및 광학 과학 연구소의 연구원입니다.

기밀 정보

연구원들은 광자에 대해 15개의 서로 다른 각 운동량을 사용하여 실험실에서 시연한 계획이 은행 및 기타 기관을 위한 양자 보안 인증 시스템을 생성할 수 있다고 믿습니다. Forbes는 “보내고 싶은 기밀 정보가 있다고 가정해 보겠습니다. 지문, ID 문서 등이 될 수 있습니다.”라고 말합니다. “우리 계획이 작동하도록 전송된 광자가 있고 Bob이나 은행에서 전송한 이 광자를 전송하려는 정보와 겹치면 감지기에서 클릭이 발생합니다. 그리고 이를 통해 해당 정보를 은행과 공유하면 은행은 귀하가 보내고 싶은 정보를 얻게 됩니다.”

조나단 리치이번 연구에 참여하지 않은 영국 헤리엇와트대학교 양자광학 전문가는 이를 “아름다운 실험이자 매우 의미 있는 작품”이라고 평가했다. 그러나 그는 팀의 논문이 다음과 같이 덧붙였습니다. 유사한 작업 중국 샤먼 대학의 연구원들이 고차원 양자 상태를 순간 이동시켰다는 연구원들의 초기 주장에 대한 논란을 불러일으켰습니다. Leach는 “양자 순간이동과 모든 종류의 순간이동의 정신은 어떤 상태가 새로운 위치로 이동되고 그 과정에서 원본이 파괴된다는 것입니다.”라고 Leach는 말합니다. 그는 여기서는 이것이 실제로 사실이 아니라고 덧붙입니다. 왜냐하면 양자 상태가 합-주파수 미분을 겪고 Bob에 의해 감지되기 ​​위해서는 앨리스가 양자 상태의 많은 복사본을 생성하기 위해 레이저를 사용해야 하기 때문에 원래 상태는 여전히 앨리스의 상태에 존재하기 때문입니다. 끝.

물리 학자 댄 고티에 미국 오하이오 주립대학교의 연구진은 다른 그룹도 덜 정교한 방법을 사용하여 유사한 작업을 수행했다고 주장하면서 덜 열정적이었습니다. 그는 또한 프로토콜 자체의 단점을 확인했습니다. "양자 용어로 이것은 투사 측정이라고 불리는 것입니다."라고 그는 말합니다. “광자가 원하는 상태에 있으면 클릭이 발생합니다. 그렇지 않으면 정보를 얻을 수 없습니다. 따라서 그들이 d차원 공간을 가지고 있다면 그들이 하고 있는 일에 대한 실질적인 이점은 완전히 상실됩니다. 왜냐하면 측정을 할 때마다 올바른 모드를 선택할 확률은 1/d에 불과하기 때문입니다." 연구자들은 이러한 비판을 받아들이고 이를 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/new-protocol-transmits-quantum-information-in-complex-states-of-light/