Des chercheurs de l'Université du Witwatersrand à Johannesburg, en Afrique du Sud, ont démontré une méthode révolutionnaire pour préserver les informations quantiques transmises par la lumière malgré les perturbations environnementales extrêmes causées par le mauvais temps et les turbulences atmosphériques. Leurs résultats, publiés dans Physical Review Letters, révèlent que les propriétés topologiques intrinsèques de la lumière peuvent maintenir l'intégrité des données quantiques même lorsque la forme physique de la lumière est complètement déformée. L'étude aborde un défi de longue date dans la communication optique: la fragilité de la lumière tordue, qui transporte de grandes quantités d'informations par son mouvement en spirale.
Connue sous le nom de moment angulaire orbital (OAM), cette propriété permet à la lumière d'encoder des données dans une gamme de configurations presque illimitée. Cependant, les signaux basés sur OAM ont été très sensibles à la dégradation lorsqu'ils passent à travers des atmosphères turbulentes ou d'autres médias chaotiques, limitant leur application pratique dans des scénarios réels. L'équipe de recherche de Wits a contourné ce problème en se détournant de la structure physique de la lumière et en examinant une caractéristique mathématique plus abstraite, la topologie.
Contrairement aux approches conventionnelles qui reposaient sur la construction de structures robustes pour résister au stress environnemental, les chercheurs ont exploré si la torsion fragile inhérente de la lumière pouvait encore soutenir un cadre topologique stable. Ils ont constaté que malgré la distorsion physique de la lumière, les caractéristiques topologiques sous-jacentes sont restées intactes, préservant l'information quantique codée en son sein. L'auteur principal Tatjana Kleine a expliqué que si les modèles visibles de la lumière étaient sévèrement modifiés par la turbulence, les invariants topologiques fondamentaux intégrés dans les photons enchevêtrés ne se dégradaient pas.
"Nous avons observé les modèles physiques se déformer sous des turbulences extrêmes", a-t-elle déclaré, "et la connexion quantique traditionnelle a atteint un point de détérioration grave". "Cette résilience découle de la nature des propriétés topologiques, qui permettent aux structures de subir une déformation spectaculaire sans perdre des caractéristiques essentielles". Andrew Forbes, chef du Laboratoire de lumière structurée de la Wits School of Physics, a souligné l'importance de cette découverte. Il a noté que même lorsque la lumière est devenue méconnaissable en raison d'interférences environnementales, le nombre topologique, une mesure clé des propriétés du système, est resté inchangé.
En exploitant la robustesse topologique de l'enchevêtrement OAM, les chercheurs pensent pouvoir ouvrir de nouvelles possibilités pour des systèmes de communication sécurisés et à haute dimension. Ces systèmes pourraient potentiellement offrir des niveaux de sécurité sans précédent contre l'écoute et les interférences, ce qui les rend idéales pour des applications allant des communications militaires à l'informatique quantique.
Au lieu de tenter de protéger la délicate structure physique de la lumière tordue, l'équipe de Wits a identifié une couche de stabilité plus profonde qui existe indépendamment de la forme observable de la lumière. Cette approche ouvre la porte au développement de technologies de communication à la fois très efficaces et remarquablement résistantes aux défis environnementaux. L'équipe de recherche prévoit d'explorer davantage l'évolutivité de leur technique, dans le but d'élargir la dimensionnalité de l'information codée pour une sécurité et une capacité encore plus grandes.
Leur travail a déjà suscité l'intérêt des physiciens et des ingénieurs travaillant sur des systèmes de communication de nouvelle génération, qui voient des applications potentielles dans les liaisons par satellite, la fibre optique sous-marine et d'autres environnements de transmission difficiles.
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Phys.orgIndépendantCentreFactualité 75Objectivité 80hierDes chercheurs de l'Université de Witswatersrand à Johannesburg, en Afrique du Sud, ont démontré que l'information quantique encodée dans la lumière tordue peut rester intacte même après avoir traversé des conditions atmosphériques turbulentes. Traditionnellement, la lumière tordue - connue pour sa capacité à transporter de grandes quantités de données - a été vulnérable à la distorsion causée par les conditions météorologiques et les facteurs environnementaux. Cependant, l'équipe s'est concentrée sur la propriété mathématique de la topologie inhérente à la lumière quantique, découvrant que les invariants topologiques persistent malgré la déformation physique de la lumière. Cette découverte suggère que la communication quantique pourrait devenir plus résistante aux interférences environnementales, conduisant potentiellement à des systèmes de communication mondiaux plus sûrs et plus fiables.
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