211service.com
Enskild foton bär 10 bitar av information
Enstaka fotoner är idealiska för att skicka information i digital form så att varje foton kodar en 0 eller en 1. I så fall är det lätt att föreställa sig att detta är all data som en enskild foton kan hålla. Inte så! I teorin finns det ingen gräns för mängden information en enskild foton kan koda.
Och det väcker en intressant fråga. Hur mycket information kan fysiker packa in i en enda foton i praktiken? Vad tillåter nuvarande teknik?
Idag får vi svar tack vare Tristan Tentrups och kompisars arbete vid University of Twente i Nederländerna. De har packat mer än 10 bitar i en enda foton för första gången.
Deras metod är okomplicerad, i teorin. Metoden är att associera en enskild foton med en unik medlem av ett alfabet. När alfabetet innehåller många medlemmar, bär fotonen massor av information.
Det är inte svårt att se varför. När ett alfabet bara innehåller två medlemmar, till exempel binär kod, kodar varje medlem en bit information. Detta är mängden information som behövs för att beskriva varje symbol i alfabetet.
Men när alfabetet är större krävs det mer information för att unikt beskriva varje medlem. Så varje medlem kan koda den mängden data.
Den faktiska mängden information ges av loggen till bas 2 av antalet medlemmar. Till exempel, i ett alfabet med 10 symboler, som varje decimaltal, kodar varje symbol cirka 3,3 bitar. I ett alfabet med 26 symboler, som det engelska alfabetet, kodar varje symbol 4,7 bitar. Och så vidare.
Tentrup och co når sitt mål genom att skapa ett alfabet med 9 072 symboler. I så fall kodar varje symbol mer än 13 bitar av information.
Att skapa detta alfabet är enkelt. Tentrup och co gör det genom att definiera ett 112 x 81 rutnät med pixlar – det är 9 072 av dem. Varje pixel representerar en annan symbol i alfabetet. För att koda en foton med en av dessa symboler behöver de bara peka fotonen mot den delen av rutnätet. Så när en specifik pixel registrerar ankomsten av en foton, registrerar den den symbolen.
Det knepiga är att göra detta exakt med enstaka fotoner. Ett sätt att styra fotoner är med en lutande spegel som helt enkelt reflekterar dem i en specifik, kontrollerbar riktning. Men Tentrup och co använder en mer flexibel enhet som kallas en rumslig ljusmodulator som modifierar en fotons vågfront när den reflekterar den. Detta använder diffraktionseffekter för att styra fotonen mot sitt mål.
Att upptäcka enstaka fotoner är också ett potentiellt bananskinn, eftersom allt ströljus kan överväldiga signalen. Tentrup och co har ett praktiskt knep för att förhindra detta. Istället för att skapa enstaka fotoner skapar de dem i par och kodar bara en av dem med information med hjälp av denna styrmekanism. De ser ut efter den andre som en varning om att den första är på väg att anlända till pixeln.
Detta gör att de kan slå på pixeln i samma ögonblick som den första fotonen anländer. Och detta minskar dramatiskt chanserna för en herrelös foton att översvämma signalen. Ändå har brus fortfarande en inverkan och fotonerna bär på något mindre information än det teoretiska maximumet.
Resultaten är ändå imponerande. Vi demonstrerar högdimensionell kodning av enstaka fotoner som når 10,5 bitar per foton, säger Tentrup och co. Det förbättrar avsevärt jämfört med det tidigare rekordet på bara sju bitar per foton och föreslår omedelbart sätt att koda ännu mer genom att öka storleken på rutnätet.
Arbetet har omedelbara tillämpningar. Fysiker använder redan information kodad i enstaka fotoner för tillämpningar som distribution av nycklar i kvantkryptografi.
Denna information är för närvarande kodad i enstaka fotoner med den binära koden 0:or och 1:or. Men den nya tekniken tillåter omedelbart varje foton att bära en storleksordning mer. En mycket lovande riktning för detta arbete skulle då vara implementeringen av en stor-spatial-alfabetkodning för kvantnyckeldistribution, säger Tentrup och co.
Så vi kanske inte behöver vänta länge för att se denna rekordbrytande teknik i aktion.
Ref: http://arxiv.org/abs/1609.04200 : Sänder mer än 10 bitar med en enda foton