Передача информации закрученными фотонами работает и в реальной атмосфере

Фотоны как носители информации
Информационные технологии будущего могут базироваться не только на привычной для нас электронике, но и на манипуляции с отдельными фотонами. Это направление кажется очень многообещающим не только из-за высокой скорости работы и низкого энергопотребления фотонных устройств, но и благодаря тому, что на отдельных фотонах можно реализовать квантовую линию связи. Обычная классическая цифровая информация кодируется отдельными битами — ячейками памяти, которые могут находиться только в двух состояниях, «0» или «1». Квантовая информация записывается в кубитах, которые могут быть не только в двух базисных состояниях, но и в их произвольной квантовой суперпозиции.

Таким образом, кубиту доступны не два, а бесконечно много состояний, заполняющих двумерное пространство. В дополнение к этому, используя специфическое для квантовой механики явление квантовой запутанности нескольких частиц, можно обеспечить сверхзащищенный протокол передачи конфиденциальной информации.
Фотоны — совершенно естественные кандидаты для физической реализации кубитов. Два базисных состояния — это две взаимно ортогональные поляризации фотона, а манипуляция этой информацией осуществляется с помощью стандартных оптических элементов. Передача квантовой информации, закодированной в поляризации света, уже давно реализована как по оптоволокну, так и по открытому воздуху на расстояние свыше 100 км. Более того, недавно была продемонстрирована квантовая линия связи между наземной базой и воздушным судном, так что спутниковый квантовый канал связи глобального масштаба, по-видимому, уже не за горами.
У этой схемы есть, впрочем, и свои трудности. Двумерное пространство, доступное для одного кубита, это конечно хорошо, но устройства должны еще уметь различать близкие, но отличающиеся состояния, а это накладывает серьезные требования на допустимый уровень шумов и на сами устройства. Было бы гораздо удобнее, если бы само пространство состояний в отдельном фотоне было не двумерное, а многомерное. Но поляризация фотонов, увы, такой возможности не предоставляет.
Однако тут на помощь приходит совсем другая характеристика, которой тоже могут обладать фотоны — орбитальный угловой момент фотонов, или, условно говоря, их «закрученность» относительно направления распространения. Закрученный свет, в общем-то, известен давно, и в последние годы он уже неоднократно применялся для кодирования информации. Закрученность фотонов, по сравнению с их поляризацией, обладает еще большей — и намного большей! — информационной емкостью. Пространство доступных состояний тут не двумерное, а, формально говоря, бесконечномерное, и это позволяет добиться дополнительного мультиплексирования (см.: Orbital angular momentum multiplexing) в оптической линии связи. Последний рекорд здесь — это 100-терабитный канал, реализованный на одном 100-гигабитном носителе, который использует 12-мерное пространство закрученных состояний. Существуют даже предложения использовать мультиплексирование по закрученности для связи с межпланетными космическими аппаратами, где емкость каналов всегда была большой проблемой.
Это всё замечательно, но возникает вопрос: на какие расстояния по открытому воздуху можно передавать информацию, закодированную в виде закрученности фотонов? Даже если иметь в виду космическую связь, все равно первоначально сигнал должен пройти несколько километров сквозь атмосферу. Тут проблема в том, что закрученность света с физической точки зрения реализуется в виде необычного пространственного распределения световой волны. Но если такой свет летит сквозь обычную турбулентную атмосферу, его пространственное распределение может сильно исказиться. И действительно, лабораторные исследования показывают, что если на масштабе отдельной лаборатории передача закрученности по воздуху еще работает, то на километровых расстояниях состояния с разной закрученностью начинают перемешиваться друг с другом. Это всё ставит под сомнение практическую пригодность закрученности фотонов для дальней передачи информации.
На днях в архиве е-принтов появилась статья исследовательской группы из австрийского Института квантовой оптики и квантовой информации под руководством Антона Цайлингера (Anton Zeilinger), которая рассеивает такие пессимистичные прогнозы. Они продемонстрировали довольно простую и на удивление надежную схему передачи информации, закодированной в виде закрученности, на расстояние 3 километра прямо над центром Вены (рис. 1). Черно-белые изображения кодировались в виде последовательности световых импульсов с разной закрученностью и попиксельно пересылались принимающей стороне. Несмотря на турбулентность атмосферы и вызванного им блуждание лазерного пятна на экране приемника, изображение восстанавливалось с высокой точностью; вероятность сбоя пикселя составляла около процента. Скорость передачи была, конечно, смехотворна — 4 пикселя в секунду, — но исследователи пока и не пытались ее оптимизировать. Они лишь доказали, что на таких расстояниях турбулентность — не помеха, и что для работы устройства не требуется никакой адаптивной оптики или иных высокотехнологических инструментальных наворотов.

Общая схема эксперимента показана на рис. 1. Сигнал передавался с башни Центрального института метеорологии и геодинамики, а регистрировался на крыше Института квантовой оптики и квантовой информации. Связь осуществлялась с помощью зеленого лазера мощностью 20 мВт по очень простой методике. Лазерный луч модулировался с помощью разнообразных фазовых решеток, которые превращали обычный луч в луч с разной закрученностью. Телескопическая система расширяла луч до 6 сантиметров в диаметре, и в таком виде он шел через атмосферу и попадал на экран принимающей стороны. Этот узор освещенности снимался на видеокамеру, изображение поступало в компьютер, и искусственная нейронная сеть расшифровывала изображение, превращая его в цветовой код очередного пикселя.

Рис. 2. Яркость изображения на экране от закрученных состояний разного типа. Если состояние имеет строго определенную закрученность с некоторым L (верхний ряд), то освещенность имеет вид кольца. Если же состояние находится в суперпозиции с закрученностью L и −L, то на экране появляется «многолистник» с 2L лепестками. Коллаж на основе рисунка из статьи V. D'Ambrosio et al. 2013. Photonic polarization gears for ultra-sensitive angular measurements

Всё это кажется довольно банальным. Чтобы развеять такое впечатление, стоит пояснить несколько технических, но важных моментов этой работы.
Набор закрученных состояний. Закрученность света задается целым числом L; это число показывает, сколько раз фаза световой волны проходит полный цикл при обходе вокруг направления движения. Если взять состояние света со строго определенным значением закрученности L и посветить им на экран, то освещенность будет иметь вид простого колечка (рис. 2, верхний ряд). Для разных значений L эти колечки слегка отличаются своей толщиной, но в целом их легко спутать друг с другом, особенно в присутствии шумов.
Вместо этого, в статье используется суперпозиция закрученных состояний со значениями L и −L. Такой световой луч дает на экране уже не просто ровное кольцо, а «многолистник», в котором ровно 2L лепестков (рис. 2, нижний ряд). Вот эти изображения уже заметно различаются для разных L. В статье использовались такие состояния с L от 0 до 15 для кодировки 16 градаций серого; незакрученное состояние с L=0 отвечало черному цвету, а суперпозиция с L=15 и −15 — белому. Атмосферная турбулентность несколько искажала форму лепестков (см. рис. 1), но их количество в подавляющем большинстве случаев оставалось неизменным. Именно это не давало потерять информацию за счет турбулентности.
Нейронная сеть. Когда на экране принимающей стороны высвечивался узор, кодирующей очередной пиксель, видеокамера снимала его в высоком разрешении и передавала в компьютер. Изображение затем распознавалось искусственной нейронной сетью — компьютерной программой, которая путем спонтанного обучения научалась классифицировать паттерны. В статье подчеркивается, что никто в сеть изначально не закладывал то, какие на экране должны возникать узоры. Просто после того, как на нее тысячи за тысячами поступали отдельные «многолистники» с фиксированным числом лепестков, сеть постепенно их сама научилась различать и затем уверенно их распознавала даже при заметном уровне искажений.
Тут есть важная тонкость. Из-за турбулентности атмосферы картинка на экране не только слегка искажалась, но и дергалась из стороны в сторону. Для нейронной сети это не стало проблемой; ее никто не заставлял распознавать четко центрированные картинки, она сама адаптировалась к ситуации. Это означает, что такое устройство сможет справиться с расшифровкой сигнала, даже когда он сильно искажается каким-то определенным образом. С этой сетью не надо «нянчиться», она ко многому адаптируется сама.
Какова роль закрученности? Может показаться, что в этой схеме закрученность света вообще ни к селу, ни к городу. Происходит, по сути, простая передача каких-то картинок на далекий экран, а программа обработки просто классифицирует картинки. С тем же успехом мы могли бы вместо «многолистников» передавать на экран изображение обыкновенных цифр: «0», «1», «2» и т.д. Чем плох такой вариант?
Он плох тем, что такие изображения быстро расплываются при отходе от фокуса (не говоря уж о технической сложности таких картинок). То, что выглядит на экране как четкая цифра «1» превратится в широкое пятно непонятной формы на существенно большем или меньшем расстоянии (те, кто настраивал проектор для презентаций, прекрасно это знают). Преимущество закрученных состояний — в исключительной устойчивости их формы. Вы можете поставить экран в 10 раз ближе или дальше, и от этого изменится только размер, но не форма изображения.

Примеры изображений, отсылаемых и получаемых таким способом, показаны на рис. 3; всего было передано примерно 450 различных изображений такого типа. Там же показана матрица перемешивания между состояниями с разной закрученностью. Она показывает, что пиксель, закодированный закрученностью с каким-то значением L, в подавляющем большинстве случаев абсолютно правильно расшифровывался нейронной сетью. Изредка, примерно в 1% случаев, сеть ошибалась на 1 единицу, и тогда восстановленный цвет пикселя был чуть темнее или чуть светлее исходного, но в целом изображение восстанавливалось качественно.

Рис. 3. Слева: матрица перемешивания между 16 состояниями света с разной закрученностью при прохождении через 3 км турбулентной атмосферы; по вертикали показаны запущенные закрученные состояния, по горизонтали — распознанные. Белый цвет по диагонали показывает, что каждое запущенное состояние почти наверняка правильно восстанавливается, и лишь изредка происходит сбой. Справа: Два примера отправленных и полученных изображений, переданных в эксперименте. Изображение из обсуждаемой статьи

 

Первоисточник: M. Krenn et al. Twisted light communication through turbulent air across Vienna // е-принт arXiv:1402.2602 [physics.optics].
Источник: elementy.ru