Die verborgenen Eigenschaften des Lichts bewahren Quanteninformationen vor dem Chaos des schlechten Wetters

Forscher der University of the Witwatersrand in Johannesburg, Südafrika, haben eine bahnbrechende Methode zur Erhaltung von Quanteninformationen demonstriert, die durch Licht übertragen werden, trotz extremer Umweltstörungen, die durch schlechtes Wetter und atmosphärische Turbulenzen verursacht werden. Ihre Ergebnisse, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurden, zeigen, dass die intrinsischen topologischen Eigenschaften des Lichts die Integrität von Quantendaten beibehalten können, auch wenn die physische Form des Lichts vollständig verzerrt ist.

Diese Eigenschaft, die als Orbital-Winkelmomentum (OAM) bezeichnet wird, erlaubt es Licht, Daten in einem nahezu unbegrenzten Bereich von Konfigurationen zu kodieren. OAM-basierte Signale sind jedoch sehr anfällig für Abbau, wenn sie durch turbulente Atmosphären oder andere chaotische Medien gelangen, was ihre praktische Anwendung in realen Szenarien einschränkt. Das Wits-Forschungsteam umging dieses Problem, indem es den Fokus von der physikalischen Struktur des Lichts verlagerte und stattdessen ein abstrakteres, mathematisches Merkmal, die Topologie, untersuchte.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen, die sich auf den Bau robuster Strukturen stützten, um Umweltbelastungen zu widerstehen, untersuchten die Forscher, ob die inhärente, zerbrechliche Drehung des Lichts immer noch einen stabilen topologischen Rahmen unterstützen könnte. Sie fanden heraus, dass trotz der physikalischen Verzerrung des Lichts die zugrunde liegenden topologischen Eigenschaften intakt blieben und die darin kodierten Quanteninformationen bewahrten.

"Wir haben beobachtet, wie sich die physikalischen Muster unter extremen Turbulenzen verzerren", sagte sie, "und die traditionelle Quantenverbindung erreichte einen Punkt schwerer Verschlechterung". "Diese Widerstandsfähigkeit ergibt sich aus der Natur der topologischen Eigenschaften, die es Strukturen ermöglichen, dramatische Verformungen zu durchlaufen, ohne wesentliche Merkmale zu verlieren". Andrew Forbes, Leiter des Structured Light Laboratory an der Wits School of Physics, betonte die Bedeutung dieser Entdeckung. Er stellte fest, dass selbst wenn das Licht aufgrund von Umwelteinflüssen unkenntlich wurde, die topologische Zahl, ein Schlüsselmaß für die Eigenschaften des Systems, unberührt blieb. "Die Auswirkungen dieser Arbeit gehen weit über die theoretische Physik hinaus.

Durch die Nutzung der topologischen Robustheit der OAM-Verwicklung glauben die Forscher, dass sie neue Möglichkeiten für sichere, hochdimensionale Kommunikationssysteme erschließen können. Diese Systeme könnten möglicherweise ein beispielloses Maß an Sicherheit gegen Abhören und Störungen bieten, was sie ideal für Anwendungen von militärischer Kommunikation bis hin zu Quantencomputing macht.

Statt zu versuchen, die empfindliche physikalische Struktur des verdrehten Lichts zu schützen, hat das Wits-Team eine tiefere Schicht der Stabilität identifiziert, die unabhängig von der beobachtbaren Form des Lichts existiert. Dieser Ansatz öffnet die Tür für die Entwicklung von Kommunikationstechnologien, die sowohl hoch effizient als auch bemerkenswert widerstandsfähig gegenüber Umweltproblemen sind. Das Forschungsteam plant, die Skalierbarkeit ihrer Technik weiter zu erforschen, mit dem Ziel, die Dimensionalität der codierten Informationen für noch mehr Sicherheit und Kapazität zu erweitern.

Ihre Arbeit hat bereits bei Physikern und Ingenieuren, die an Kommunikationssystemen der nächsten Generation arbeiten, Interesse geweckt, die potenzielle Anwendungen in Satellitenverbindungen, Unterwasserfaseroptik und anderen herausfordernden Übertragungsumgebungen sehen.