Svetlo “uväznené” v 37 dimenziách prinesie prelom v bezpečnosti a priepustnosti optickej komunikácie

KĽÚČOVÉ ZISTENIA

• Vedci dokázali vytvoriť stav svetla, v ktorom sú fotóny previazané v 37 nezávislých dimenziách súčasne, čím prekonali obmedzenia binárnych systémov (qubitov) a otvorili dvere k extrémne hustému kódovaniu informácií.

• Kľúčom k tomuto objavu je využitie "stočeného svetla" (twisted light) a orbitálneho momentu hybnosti (OAM), čo umožňuje využiť priestorovú štruktúru svetla ako nosič dát.

• Experiment potvrdil platnosť Greenberger-Horne-Zeilingerovho (GHZ) paradoxu v mnohodimenzionálnom priestore, čo dokazuje, že kvantová non-lokalita funguje robustne aj pri vysokej komplexite systému.

V laboratóriách teoretickej fyziky a kvantovej optiky sa odohral prielom, ktorý znie ako sci-fi, no jeho dôsledky sú rýdzo praktické. Medzinárodný tím vedcov, vedený výskumníkmi z Univerzity vedy a techniky v Číne (USTC) a ich partnermi z Európy, publikoval v prestížnom žurnále Science Advances štúdiu, ktorá redefinuje naše chápanie svetla.

Podarilo sa im manipulovať s fotónmi tak, aby existovali v stave previazania naprieč 37 dimenziami. Je dôležité okamžite objasniť terminológiu.

Keď fyzici hovoria o "dimenziách" v tomto kontexte, nemajú na mysli paralelné vesmíry ani priestorové smery (hore, dole, vľavo, vpravo). Hovoria o "stupňoch voľnosti" v Hilbertovom priestore – matematickom opise kvantového stavu.

Klasický počítačový bit má dva stavy (0 a 1). Kvantový qubit je superpozíciou týchto dvoch. Ale tento nový systém využíva "qudity" – kvantové jednotky, ktoré môžu nadobúdať 37 rôznych stavov súčasne.

Ako to dosiahli? Tajomstvo spočíva v orbitálnom momente hybnosti (OAM) svetla. Predstavte si svetelný lúč nie ako priamu čiaru, ale ako vývrtku alebo tornádo, ktoré sa krúti okolo svojej osi. Rôzne rýchlosti a smery tohto krútenia predstavujú rôzne stavy.

Kombináciou týchto priestorových módov s časovými "binmi" (časovými úsekmi príchodu fotónu) sa vedcom podarilo vytvoriť vysoko-dimenzionálny stav, ktorý je stabilný a merateľný.

Tento experiment bol zároveň testom jedného z najhlbších tajomstiev kvantovej mechaniky: Greenberger-Horne-Zeilingerovho (GHZ) paradoxu.  Tento paradox ukazuje, že kvantová mechanika je nezlučiteľná s akoukoľvek teóriou "lokálneho realizmu" – teda s predstavou, že objekty majú definované vlastnosti nezávisle od merania a ovplyvňujú len svoje bezprostredné okolie.

Demonštrácia tohto paradoxu v 37 dimenziách je dôkazom, že "kvantová podivnosť" sa nestráca ani pri zvyšovaní zložitosti systému, naopak, stáva sa ešte výraznejšou a robustnejšou.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ:

Tento objav nie je len akademickým cvičením; je to základný kameň pre budúci internet. Súčasné optické siete sa blížia k svojim fyzikálnym limitom (tzv. "kapacitná kríza"). Ak dokážeme do jedného fotónu zakódovať nie 1 bit informácie, ale logaritmus z 37 (čo je viac ako 5 bitov) a využiť multiplexovanie týchto stavov, môžeme zvýšiť priepustnosť optických vlákien rádovo o desiatky až stovky násobkov bez nutnosti kopať nové káble.

Druhým kľúčovým dopadom je bezpečnosť. Kvantová distribúcia kľúča (QKD) je považovaná za neprelomiteľnú metódu šifrovania. Systémy využívajúce vysoko-dimenzionálne stavy (ako týchto 37) sú oveľa citlivejšie na akýkoľvek pokus o odpočúvanie a zároveň odolnejšie voči šumu v prenosovom kanáli.

To znamená bezpečnejšiu komunikáciu pre banky, vlády a v budúcnosti aj pre bežných používateľov. Sme svedkami prechodu od "doby bitovej" do "doby quditovej", kde informácia nadobúda novú, bohatšiu štruktúru.

^{Zdroj: popularmechanics.com foto: depositphotos.com}