„Susukę“ šviesą, fizikai pasiekė du revoliucinius rekordus

Gauti rezultatai, publikuoti „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (pirmasis darbas skirtas duomenų perdavimo nuotoliui, antrasis – fotoninio spindulio susukimo laipsniui), įdomūs toli gražu ne vien akademinei visuomenei: jie parodo didžiulę tokios šviesos informacinę talpą ir praktinio naudojimo komunikacijose duomenų perdavimui atviroje vietovėje potencialą.

Šviesa – elektromagnetinio lauko banga, ir kaip ir bet kuri banga, šviesa turi bangos frontą – įsivaizduojamą plokštumą erdvėje, kurios taškuose šviesos virpesiai yra tam tikros konkrečios fazės. „Įprastos“ šviesos bangos frontas plokščias, ir ši plokštuma statmena jo sklidimo krypčiai.

Susuktos šviesos bangos frontas yra sraigtiškas, jo fazinė plokštuma bangos sklidimo kryptimi susukta kaip kamščiatraukis. Bangos fronto susukimas nesusijęs poliarizacija: nei su tiesine, nei su apskritimine. Susukta šviesa gali būti poliarizuota, gali būti nepoliarizuota, lygiai kaip ir poliarizuota šviesa gali būti tiek ir plokščia, tiek ir susukta.

Kvantinės mechanikos požiūriu, fotono poliarizacija – jo sukinio pasireiškimas, o susukimas – orbitinio kampinio momento pasireiškimas. Žiūrint, į kurią pusę sukasi bangos frontas, susukimas gali būti teigiamas arba neigiamas – čia dar vienas panašumas su poliarizacija. Tačiau, kitaip nei poliarizacija, susukimo laipsnis (orbitinis kampinis momentas) iš principo gali būti bet kokio dydžio; kuo jis didesnis, tuo didesnis fotoną aprašantis vadinamasis kvantinis skaičius.

Tai ir yra svarbi susuktos šviesos charakteristika: jos „informacinė talpa“ daug didesnė, nei poliarizacijos, todėl ji daug vertingesnė komunikacijose. Vienos kvantinių mokslų ir technologijų centro (VCQ) ir Kvantinės optikos bei kvantinės informacijos instituto (IQOQI Vienna) mokslininkai, naudodami šią susuktos šviesos savybę, iš karto pagerino du rekordus — susuktos šviesos duomenų perdavimo nuotolio ir kvantinio skaičiaus dydžio.

Eksperimentuojant norėta nustatyti, kaip stipriai galima „susukti“ vieną fotoną, neprarandant reikiamų kvantinių savybių. Mokslininkai panaudojo naują techniką: „spiralinės fazės“ veidrodžius, kuriais sugebėjo neregėtai stipriai susukti fotonus ir tuo pačiu pasiekė milžinišką kvantinio skaičiaus reikšmę. Tokiu būdu fotonus pavyko susukti iki kvantinio skaičiaus reikšmių, siekiančių daugiau nei 10 000, o tai šimtą kartų daugiau, nei ankstesniuose bandymuose.

Veidrodžiai buvo pagaminti iš aliumininių diskų, kurių paviršius buvo apdorotas preciziškomis tekinimo staklėmis ir suskirstytas į kampinius segmentus. Kiekvienas segmentas formavo savo dalį reikiamo pokrypio spiralinės fazės.

Eksperimente mokslininkai naudojo tris skirtingus veidrodžius, tad fotonų spindulių fazės frontas įgaudavo atitinkamai 500, 1000 ir 10000 kampinius momentus. Paaiškėjo, kad naudojant tokius veidrodžius, galima tiksliau formuoti šviesos bangos frontą, nei bet kuriuo komerciškai prieinamu įrenginiu, ir gaunamos didžiausios kvantinių skaičių reikšmės.

Eksperimentas vyko tarp Kanarų salų – La Palma ir Tenerifės, esančių už 143 km viena nuo kitos. Pranešimas „Hello World!“ buvo užkoduotas žalia lazerio šviesa su optine holografija, ir gautą pranešimą atpažino neurotinklai.

Perduodant duomenis, svarbu apsaugoti perduodamą informaciją, todėl mokslininkai naudoja susietų fotonų poras — dvi šviesos daleles, kurios gali būti bet kokiu atstumu viena nuo kitos, tačiau jų tarpusavio priklausomybė išlieka. Vienos susietų fotonų poros dalelės parametrų neįmanoma pakeisti, nepaveikiant kitos. Eksperimente mokslininkai suformavo susietas fotonų poras ir po to veidrodžiais vieną poros fotoną susuko iki penkiaženklės kvantinio skaičiaus reikšmės – susietumas išliko.

Teoriškai, kiekvienu susuktos šviesos fotonu galima siųsti neribotą kiekį informacijos (jei tik pavyks ją perskaityti), ir mokslininkai jau atliko įspūdingos duomenų apimties perdavimo eksperimentus. Pavyzdžiui, laboratorinėmis sąlygomis jau įgyvendintas duomenų perdavimas susukta šviesa 100 terabitų per sekundę sparta (120 Blu-Ray diskų per sekundę).

Tačiau duomenų perdavimas po atviru dangumi nėra toks paprastas: iki šiol tokia komunikacija apsiribojo 3 kilometrais — tokį rezultatą prieš porą metų pasiekė ta pati Vienos mokslininkų grupė. Naujajame tyrime mokslininkai pademonstravo, kad susukta šviesa perduodama informacija gali būti perskaitoma netgi didesniu, nei 100 km atstumu.

Eksperimentas vyko tarp Kanarų salų – La Palma ir Tenerifės, esančių už 143 km viena nuo kitos. Pranešimas „Hello World!“ buvo užkoduotas žalia lazerio šviesa su optine holografija, ir gautą pranešimą atpažino neurotinklai. Dabar reikės pademonstruotas šviesos savybes sujungti su šiuolaikinėmis komunikacijų technologijomis – šios užduoties jau ėmėsi kelios tyrėjų grupės.