Закрученный свет передали на рекордное расстояние по воздуху

Исследовательская группа Венского университета побила сразу два рекорда, экспериментируя с «закрученным» светом. Полученные результаты, опубликованные Proceedings of the National Academy of Sciences (первая работа посвящена дальности передачи данных, вторая - степени закрученности фотонного луча), представляют далеко не только академический интерес: они демонстрируют огромную информационную емкость такого света и потенциал передачи данных в открытом пространстве для практического использования в коммуникациях.

Свет — это волна электромагнитного поля, и как у любой волны, у света есть волновой фронт — воображаемая поверхность в пространстве, в точках которой световое колебание находится в какой-то конкретной фазе. У «обычного» света волновой фронт плоский, и эта плоскость перпендикулярна направлению его распространения. У закрученного света волновой фронт винтовой, его фазовая плоскость словно закручивается штопором в направлении распространения волны. При этом закрученность волнового фронта не имеет отношения к поляризации: ни к линейной, ни к круговой. Закрученный свет может быть как поляризованным, так и не поляризованным, равно как и поляризованный свет может быть как плоским, так и закрученным.  

С точки зрения квантовой механики, поляризация фотона — это проявление его спина, а закрученность — проявление орбитального углового момента. В зависимости от того, в какую сторону поворачивается винт волнового фронта, закрученность может быть положительной и отрицательной — и в этом тоже есть сходство с поляризацией. Но, в отличие от поляризации, степень закрученности (орбитальный угловой момент) может быть, в принципе, сколь угодно большой; чем она больше, тем больше так называемое квантовое число, которым фотон описывается. В этом и заключается важная характеристика закрученного света: у закрученности гораздо большая «информационная вместимость», чем у поляризации, поэтому ее ценность для коммуникации гораздо выше. 

Ученые венского центра квантовых наук и технологий (VCQ) и института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI Vienna), используя это свойство закрученного света, побили сразу два рекорда — дальность расстояния передачи данных и величины квантового числа для закрученного света.

В предварительных экспериментах необходимо было определить, как сильно можно «закрутить» единичный фотон без потери различимых квантовых свойств. Ученые использовали новую технику: зеркала «спиральной фазы», которые смогли закрутить фотоны беспрецедентно сильным образом и тем самым увеличить квантовые числа до огромных значений. В результате такого подхода фотоны удалось раскрутить до значений квантовых чисел, превышающих 10000, что в сто раз больше, чем в предыдущих опытах.

Зеркала были сделаны из алюминиевых дисков, поверхность которых обработана высокоточным токарным станком и разбита на угловые сегменты. Каждый из сегментов при этом формировал свою часть требуемого наклона спиральной фазы. Ученые использовали в экспериментах три разных зеркала, так что фазовый фронт полученных фотонных лучей приобретал угловые моменты равные 500, 1000 и 10000 соответственно. Оказалось, что использование такого рода зеркал позволяет формировать волновой фронт света с более высокой точностью, чем может дать любое другое коммерчески доступное устройство, и позволяет получить наиболее высокие показатели квантовых чисел.

Для передачи данных в коммуникациях важна защита передаваемой информации, поэтому ученые используют запутанные фотонные пары — две частицы света, которые могут находиться на произвольном расстоянии друг от друга, но тем не менее остаются взаимозависимыми. В таком состоянии невозможно измерить параметры одной частицы, не исказив вторую. В эксперименте ученые сформировали запутанные фотонные пары и затем закрутили один из фотонов зеркалами до пятизначного квантового числа, при этом запутанность сохранилась.

В принципе, закрученный свет может нести сколь угодно большое количество информации с каждым фотоном (при условии, что ее удастся прочитать), и ученые уже проводили эксперименты с впечатляющими объемами данных. К примеру, передача данных закрученным светом 100 терабит в секунду (объем 120 дисков Blu-Ray) уже осуществлена в лабораторных условиях. Однако, передача данных под открытым небом остается сложной задачей: до сих пор такая коммуникация была ограничена расстоянием в 3 километра — результат, полученный этой же венской группой ученых два года назад (очаровательное видео с описанием этого эксперимента приведено ниже).

В новом исследовании ученые показали, что информация, переданная закрученным светом, может быть распознана даже при передаче на более чем 100 км. Эксперимент проводился между канарскими островами Ла Пальма и Тенерифе, расположенных в 143 км друг от друга. Сообщение «Hello World!» закодировали зеленым лазерным светом с оптической голографией, и оно было распознано при помощи нейросетей при получении.

Теперь продемонстрированные свойства света должны быть соединены с современными коммуникационными технологиями — этой задачей уже занялись несколько исследовательских групп.

Надежда Бессонова