Il singolo fotone trasporta 10 bit di informazioni

I singoli fotoni sono ideali per inviare informazioni in forma digitale in modo che ogni fotone codifichi uno 0 o un 1. In tal caso, è facile immaginare che questi siano tutti i dati che un singolo fotone può contenere. Non così! In teoria, non c'è limite alla quantità di informazioni che un singolo fotone può codificare.

E questo solleva una domanda interessante. Quante informazioni possono mettere in pratica i fisici in un singolo fotone? Cosa consente la tecnologia attuale?

Oggi riceviamo una risposta grazie al lavoro di Tristan Tentrup e compagni dell'Università di Twente nei Paesi Bassi. Per la prima volta hanno racchiuso più di 10 bit in un singolo fotone.

Il loro metodo è semplice, in teoria. L'approccio consiste nell'associare un singolo fotone a un membro unico di un alfabeto. Quando l'alfabeto contiene molti membri, il fotone trasporta molte informazioni.

Non è difficile capire perché. Quando un alfabeto contiene solo due membri, come il codice binario, ogni membro codifica un bit di informazioni. Questa è la quantità di informazioni necessarie per descrivere ogni simbolo dell'alfabeto.

Ma quando l'alfabeto è più grande, ci vogliono più informazioni per descrivere in modo univoco ogni membro. Quindi ogni membro può codificare quella quantità di dati.

La quantità effettiva di informazioni è data dal log in base 2 al numero dei membri. Ad esempio, in un alfabeto di 10 simboli, come ogni numero decimale, ogni simbolo codifica circa 3,3 bit. In un alfabeto di 26 simboli, come l'alfabeto inglese, ogni simbolo codifica 4,7 bit. E così via.

Tentrup e co raggiungono il loro obiettivo creando un alfabeto con 9.072 simboli. In tal caso, ogni simbolo codifica più di 13 bit di informazioni.

Creare questo alfabeto è semplice. Tentrup e colleghi lo fanno definendo una griglia di 112 x 81 pixel, ovvero 9.072. Ogni pixel rappresenta un diverso simbolo dell'alfabeto. Per codificare un fotone con uno di questi simboli, tutto ciò che devono fare è puntare il fotone verso quella parte della griglia. Quindi, quando un pixel specifico registra l'arrivo di un fotone, registra quel simbolo.

La parte difficile è farlo accuratamente con i singoli fotoni. Un modo per guidare i fotoni è con uno specchio inclinabile che semplicemente li riflette in una direzione specifica e controllabile. Ma Tentrup e compagni utilizzano un dispositivo più flessibile chiamato modulatore di luce spaziale che modifica il fronte d'onda di un fotone mentre lo riflette. Questo utilizza gli effetti di diffrazione per guidare il fotone verso il suo bersaglio.

Anche il rilevamento di singoli fotoni è una potenziale buccia di banana, poiché qualsiasi luce diffusa può sopraffare il segnale. Tentrup e co hanno un trucco utile per prevenirlo. Invece di creare singoli fotoni, li creano in coppia e ne codificano solo uno con le informazioni utilizzando questo meccanismo di guida. Cercano l'altro come avvertimento che il primo sta per arrivare al pixel.

Ciò consente loro di accendere il pixel nell'istante stesso in cui arriva il primo fotone. E questo riduce drasticamente le possibilità che un fotone vagante inondi il segnale. Tuttavia, il rumore ha ancora un impatto ei fotoni finiscono per trasportare informazioni leggermente inferiori rispetto al massimo teorico.

I risultati sono comunque impressionanti. Dimostriamo la codifica ad alta dimensione di singoli fotoni che raggiungono 10,5 bit per fotone, affermano Tentrup e co. Ciò migliora significativamente il record precedente di soli sette bit per fotone e suggerisce immediatamente modi per codificare ancora di più aumentando le dimensioni della griglia.

L'opera ha applicazioni immediate. I fisici utilizzano già le informazioni codificate in singoli fotoni per applicazioni come la distribuzione di chiavi nella crittografia quantistica.

Questa informazione è attualmente codificata in singoli fotoni utilizzando il codice binario di 0 e 1. Ma la nuova tecnica consente immediatamente a ciascun fotone di trasportare un ordine di grandezza in più. Una direzione molto promettente per questo lavoro sarebbe quindi l'implementazione di una codifica ad alfabeto spaziale di grandi dimensioni per la distribuzione di chiavi quantistiche, afferma Tentrup e co.

Quindi potremmo non dover aspettare molto per vedere questa tecnologia da record in azione.

Rif: http://arxiv.org/abs/1609.04200 : Trasmissione di più di 10 bit con un singolo fotone

nascondere