Квантовые коммуникации уже стали неотъемлемой частью безопасных сетевых технологий. Не так давно китайские ученые продемонстрировали передачу квантовой информации на расстояние в 1200 километров, использовав специализированный искусственный спутник в качестве промежуточной станции. Однако, в нынешних технологиях для передачи информации используются всего два квантовых состояния фотонов света, что составляет очень малую часть от предоставляемых фотонами возможностей. Для того, чтобы использовать возможности квантовых оптических коммуникаций в большей мере можно использовать так называемые оптические образы, своего рода многомерные комбинации, количество которых практически не поддается исчислению. Одним из видов оптических образов является орбитальный угловой момент света (orbital angular momentum, OAM), который, в случае его использования в качестве носителя информации, может обеспечить поистине фантастические скорости передачи.
Однако, фотоны света с заданным значением орбитального момента, распространяясь на большие расстояния, теряют несомую ими информацию из-за различных отрицательных эффектов, возникающих в оптоволокне или в воздухе открытого пространства. В случае обычных оптических коммуникаций такое затухание полезного сигнала устраняется путем его промежуточного усиления и дополнительной фокусировки, но, законы экзотического квантового мира не допускают использования промежуточных усилителей, максимум, что возможно сделать на практике в области квантовых коммуникаций – это использовать промежуточные квантовые ретрансляторы.
Неотъемлемой функцией квантового ретранслятора является возможность запутывания на квантовом уровне двух фотонов, которые не взаимодействуют друг с другом непосредственно. Обычно это делается путем использования двух фотонов из двух независимых пар запутанных фотонов. Такой подход позволяет установить “мост” квантовой связи между двумя удаленными точками, не требуя того, чтобы оба фотона проходили все это расстояние. Для работы такого метода достаточно того, чтобы расстояние преодолел только один из фотонов, что позволяет снизить влияние эффектов потерь и затухания сигнала.
В своих последних исследованиях ученые из университета Витса (Wits University) произвели первую в истории демонстрацию технологии обмена состоянием квантовой запутанности и телепортации орбитального углового момента фотонов света. Во время экспериментов ученые “телепортировали” четыре вида оптических образов, однако, разработанная ими технология масштабируется до любого уровня сложности, и ее можно будет использовать для передачи гораздо большего количества видов оптических образов, закодированных в дополнительных “измерениях” параметров фотонов света.