¿Cuánta información puede transportar un solo fotón?

Tomemos la máxima cantidad de información posible de un solo fotón:

La información tendría que guardarse en las propiedades que puede poseer un fotón. Estos son: frecuencia / energía / longitud de onda (estos son más o menos lo mismo), dirección de propagación y lo más importante polarización. Además, todas estas propiedades pueden exhibir superposición cuántica.

Frecuencia : esta es la propiedad de los fotones utilizados para distinguir entre canales de radio. Es un parámetro continuo y, como tal, en teoría puede codificar arbitrariamente mucha información, limitada solo por su capacidad para distinguir entre frecuencias de fotones. Sin embargo, en la práctica no es tan accesible una propiedad. Por lo general, su fuente de fotones coherentes solo produce un número muy limitado de frecuencias diferentes y, por lo general, sus medios para transportar, manipular y detectar fotones solo funcionan en un rango específico de frecuencias.

Direcciones de propagación : tenemos tres direcciones espaciales en las que el modo de fotón puede extenderse y transportar información codificada en su forma. Teóricamente, son tres parámetros continuos más ilimitados de información que solo están limitados por nuestra resolución. Pero tampoco son fáciles de controlar si queremos usar el fotón para transportar información. Pero como se me señaló en los comentarios, un qutrit (como un poco pero con tres estados) se ha codificado con éxito en un modo espacial de un fotón en el pasado.

Polarización : ahora estamos hablando. Esta es la propiedad que generalmente se usa en experimentos reales donde los fotones individuales transportan información. Un fotón tiene dos modos de polarización disponibles, así que básicamente esto te da un poco. Esta propiedad es muy bien manipulable y accesible, incluso de una manera cuántica coherente, lo que hace que la capacidad de transporte de información de la polarización de fotones sea un qubit.

TL; DR : en teoría, un solo fotón puede codificar una cantidad ilimitada de información en su forma de frecuencia y modo. Pero a todos los efectos prácticos, un solo fotón puede transportar exactamente un qubit de información codificada en su polarización y tal vez un par de qubits o trits o quads más codificados en una o más propiedades continuas de fotones, dependiendo de qué tan avanzados estén sus mecanismos de control. .

Saludos, Silas

Teóricamente, un fotón puede transportar información ilimitada. En el laboratorio obtuvieron hasta 10 bits.

Por supuesto, un fotón puede transmitir información a través de su frecuencia (o color, o momento lineal), y su posición cuando se detecta. Por ejemplo, podemos tener una matriz de n detectores y apuntar un fotón a uno de ellos, transportando así los bits log (n). Pero estamos hablando del estado del fotón independientemente de su frecuencia y direccionalidad. Antes de este siglo, ese estado se limitaba a su polarización, o momento angular intrínseco, que lleva un qubit de información. En una configuración típica, usan un par entrelazado, producido por conversión descendente en un cristal no lineal como el borato de bario (BBO). Entonces “Alice” puede enviar a “Bob” dos bits clásicos de información con un qubit. Pero los avances recientes en óptica no lineal permiten que el fotón represente un “qudit”, como un qubit pero con más de dos estados. Utilizan modos de impulso angular orbital (OAM), típicamente laguerre-gaussiana. Estos son conocidos clásicamente, aplicados a un rayo de luz. Solo en los últimos 15 años han sido explotados con un solo fotón.

Dado que esta es una investigación de óptica no lineal “de vanguardia”, no puedo encontrar ninguna fuente amigable para los laicos como Wikipedia que la cubra. Cuando buscas palabras clave en Google como “OAM”, solo encuentras la discusión clásica. Así que aquí hay un trabajo reciente para referencia.

Robert W. Boyd es un destacado investigador de óptica no lineal en la Universidad de Rochester (mi alma mater, así es como me enteré de esto). En su libro Propiedades mecánicas cuánticas de los campos de luz que llevan el momento angular orbital, dice:

“… Ali-Khan et al. Han desarrollado un protocolo para la distribución de claves cuánticas (QKD) que puede codificar hasta diez bits de información en un solo fotón … Para lograr el objetivo de transmitir más de un bit por fotón, codificamos información en el grado transversal de libertad del campo de luz. Para el grado transversal de libertad uno puede elegir cualquier conjunto completo de modos ortonormales. De acuerdo con el contexto de este capítulo consideramos codificar en modos OAM como Laguerre – Gaussian (LG) modos. En la propuesta original de QKD de Bennett y Brassard, la información está codificada en el grado de libertad de polarización de un fotón individual. Como resultado, solo se puede imprimir un bit de información en cada fotón. En contraste, cuando se usa OAM, hay no hay límite para la cantidad de bits de información que se pueden imprimir en un solo fotón , ya que los modos LG abarcan un espacio de estado de dimensiones infinitas “.

Aquí hay un gran video de presentación plenaria de Robert Boyd: Óptica no lineal cuántica: la óptica no lineal se encuentra con el mundo cuántico. Hablando de la comunicación cuántica con múltiples bits por fotón, utilizando los modos Laguerre-Gauss de -13 a +13, describe cómo su grupo logró 3 bits por fotón .

Distribución de claves cuánticas en un espacio de estado de alta dimensión: Explotación del grado transversal de libertad del fotón http://www.optics.rochester.edu/… . “Nuestro objetivo actual es imprimir entre 5 y 8 bits de información en cada fotón “.

Fotones retorcidos: nuevas perspectivas cuánticas en altas dimensiones, Manuel Erhard et al, https://arxiv.org/pdf/1708.06101 … “… un solo sistema cuántico, como un fotón, tiene el potencial de codificar una gran cantidad de información arbitraria . ”

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