پرتوهای لیزری که با تکانه زاویه‌ای مداری (OAM) کدگذاری شده بودند، با ارتباط دادن دو جزیره از جزایر قناری با فاصله‌ی 143 کیلومتر، رکوردی بی سابقه به جا گذاشتند. در این طرح که توسط فیزیکدانان اتریشی اجرایی شده، فاصله‌ 50 برابر بیشتر از رکورد پیشین آن‌ها با نور پیچشی twisted light است. به گفته‌ی گروه تحقیقاتی، نتایج حاکی از آن است که احتمالاً می‌توان اطلاعات را با استفاده‌ از حالت‌های تکانه‌ی زاویه‌ای مداری در نور برای هر دو مخابرات کوانتومی و کلاسیک کدگذاری کرد که این شامل دادن و گرفتن اطلاعات از ماهواره‌ها هم می‌شود.

سلام دنیا! از نور پیچشی استفاده شد تا یک پیغام به رصدخانه‌ی تایده برساند.

نور دو نوع تکانه‌ی زاویه‌ای دارد. پدیده‌ی آشنای قطبش به تکانه‌ی زاویه‌ای اسپینی مربوط است. از طرف دیگر  OAMموجب می‌شود که جبهه‌ی موجِ پرتوی نور حول جهت انتشار بپیچد و گردابه‌ای در وسط پرتو ایجاد کند. از آنجایی که محدودیتی روی مقدار درجه‌ی پیچش وجود ندارد، کدگذاری پرتو با OAM می‌تواند ظرفیت حمل اطلاعات هر کانال مخابراتی کلاسیک با پهنای ثابت را تا چندین برابر افزایش دهد. در مخابرات کوانتومی، چنین کدگذاری‌ای هر فوتون را قادر می‌سازد تا بیش از یک بیت کوانتومی (کیوبیت) از اطلاعات را حمل کند لذا تبادل کلیدهای رمزی در برابر استراق سمع و نوفه امنیت بیشتری خواهد داشت.

مشکلات تداخل

اما مشکل اصلی، ارسال پرتوهای پیچشی در فواصل بزرگ است. یک راه برای این‌کار استفاده از کابل‌های تار نوری است ولی ممانعت از روی هم افتادن مدهای مختلف OAM در خلال انتشار در کابل کار دشواری است و بهترین رکورد آن 1/1 کیلومتر است. راه دیگر، انتقال از طریق هواست که آن‌هم مشکلات اختلالی دارد. این روش ضریب شکست هوا را اندکی تغییر داده و منجر به تداخل بین مدهای مختلف می‌شود. 

در سال 2012 پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیای جنوبی توانستند پرتوهای لیزر را با چهار پیچش متفاوت به اندازه یک متر در هوا منتقل کنند. دو سال بعد، آنتون زیلینگر Anton Zeilinger و همکارانش در دانشگاه وین و در موسسه اپتیک و اطلاعات کوانتومی، پرتویی را که حامل 16 نوع OAM بود از برجی در شهر وین به گیرنده‌ای 3 کیلومتر آنطرفتر ارسال کردند. همچنین پژوهشگران در ایتالیا و سوئد انتقال OAM در فضای آزاد را با امواج رادیویی انجام دادند.

حلقه‌های نور

گروه زیلینگر در آخرین تحقیق خود فاصله انتقالی را به 143 کیلومتر افزایش دادند. آن‌ها نور سبز لیزر با فاز متغیر را از پشت بام تلسکوپ کاپیتان ژاکوب در جزیره‌ی لاپالما به دیوار رصدخانه‌ی تایده Teide در جزیره‌ی همسایه، تنریف، تاباندند. دیوار سفید رصدخانه که مانند یک پرده بود با دوربین کنترل می‌شد و پژوهشگران توانستند طرح شدت پرتوهایی با درجات مختلف پیچش را از هم تفکیک کنند. هر حالت، دایره‌ای سبز رنگ بود که با ناحیه‌ای تیره و اندازه‌ی مشخص احاطه شده بود. به روش مشابه، تصویر پرتوهایی که از برهم نهی دو حالت با پیچش ‌های مساوی اما مخالف بودند هم ثبت شد. مشاهدات گروه در آوریل سال گذشته، طی 10 شب انجام شد و یک شبکه‌ی عصبی به کارگرفته شد تا مدهای OAM‌ ‌ای را که مسئول هر طرح شدت بود مشخص کند. بررسی‌های دقیقتر نشان داد که 80 درصد نتایج درست بوده است.

پژوهشگران پیام کوتاهی را هم در نور کدگذاری کردند: سلام دنیا! آن‌ها برای هر حرف در پیغام از سه پرتوی پشت سر هم با فازهای مختلف استفاده کردند. البته، شبکه‌ی عصبی پیغام را کمی اشتباه دریافت کرد: «سلام دنیاپ». اما محققان توضیح می‌دهند که این خطا یک بیت از 72 بیت بوده است.

علامت با دود

فرآیند همچنین فوق العاده آهسته انجام شد و در مجموع حدود 271 ثانیه طول کشید. به گفته‌ی زیلینگر و همکارانش این سرعت در حد سرعت پیغام فرستادن با دود است. گرچه آن‌ها معتقدند که در این تحقیق سرعت فرآیند مد نظر نبوده بلکه هدف نشان دادن بقای مدها در طی سفر بوده است. و این کار بدون استفاده از هرگونه اپتیک تطبیقی برای جبران اثرات اختلالی انجام شده است. البته پژوهشگران مجبور شدند به علت بدی آب و هوا نتایج آزمایشِ 4 شب را دور بریزند. در عین حال معتقدند که می‌توان با افزودن آینه‌های قابل تنظیم توسط نرم افزار برای جبران اختلالات، نتایج را بهتر کرد. این محققان می‌گویند طرحشان برای پیام‌های چندگانه‌ی کلاسیک و درهم‌تنیدگی کوانتومی مدهای OAM، قابل اجراست. همچنین از آنجا که ارتفاع موثر اتمسفر 6 کیلومتر است، حالت‌های OAM ای که با این روش بین زمین و ماهواره‌های چرخنده رد و بدل شوند خیلی تحت تاثیر اختلالات قرار نخواهند گرفت.

پیش مقاله‌ی این تحقیق در سایت arXiv بارگذاری شده است.

منبع