Fotonai dažnai vaizduojami kaip idealūs laiškininkai: jie perduoda informaciją iš taško A į tašką B ir geriausia, kad niekas jų pakeliui netrukdytų. Tačiau toks vaizdas yra pernelyg dvimatis. Vienas fotonas gali pernešti gerokai daugiau nei paprastą etiketę „horizontali poliarizacija“ ar „vertikali poliarizacija“. Jį galima taip „suskulptūruoti“, kad fotonas turėtų sudėtingą struktūrą erdvėje, laike ir dažnių srityje – tuomet paaiškėja, kad tame pačiame nešiklyje telpa visas papildomas „alfabetas“.
Pastaraisiais metais ši idėja nustojo būti vien teoriniu žaidimu. Kvantinėje fotonikoje auga spaudimas didinti perdavimo talpą ir atsparumą trikdžiams, mažinti šviesos šaltinių ir detektorių dydį, kurti vaizdinimo metodus, galinčius išgauti kuo daugiau informacijos iš labai nedidelio fotonų skaičiaus. Priemonės „rėžti“ ir formuoti fotonus jau subrendo. Atsiranda lustuose integruotų sistemų, spartaus laikinio moduliavimo technikų ir vis tikslesnių matavimo metodų. Tai reiškia, kad „žaidimas“ su papildomais fotono matmenimis vis dažniau gali būti tiesiogiai pritaikomas ryšio sistemoms, jutikliams ir vaizdinimui.
Fotonai su papildomu alfabetu
Klasikinėje ryšių teorijoje svarbiausia – kiek signalų galima sutalpinti per tam tikrą laiką ir tam tikrame dažnių ruože. Kvantiniu atveju atsiranda papildomas triukas. Vietoj to, kad apsiribotume kubitais, galima naudoti daugiamačius būsenų vienetus – kvaditus (qudit). Praktikoje tai reiškia, kad vienas fotonas gali užkoduoti daugiau nei dvi būsenas ir suteikti daugiau būdų trikdžiams bei klaidoms aptikti.
Šis papildomas alfabetas atsiranda todėl, kad šviesa turi daugiau laisvės laipsnių, nei paprastai išnaudojame. Be poliarizacijos, egzistuoja erdviniai režimai – šviesos lauko pasiskirstymo raštai, tarp jų ir tie, kurie susiję su orbitiniu impulso momentu. Yra ir laikiniai bei dažniniai laisvės laipsniai. Kai pradedama juos derinti, atsiranda daugiamačių ir daugialypių būsenų, kurių neįmanoma nusakyti vienu paprastu parametru.
Esminis dalykas tas, kad daugiau matmenų reiškia ne tik didesnę informacijos talpą. Tai taip pat suteikia kitokį atsparumą trikdžiams. Jei perdavimo kanalas vieną matmenį iškraipo, galima suprojektuoti kodavimą taip, kad dalis informacijos būtų „paslėpta“ kitame. Tai nėra magija – veikiau išplėstas įrankių rinkinys, iš kurio galima pasirinkti, atsižvelgiant į realias perdavimo sąlygas.
Kaip „skulptūruojama“ kvantinė šviesa?
Anksčiau pagrindinis apribojimas buvo toks: teoriškai viskas atrodė puiku, tačiau praktiškai trūko stabilių šaltinių, moduliatorių ir matavimo metodų, kuriuos būtų galima sujungti į veikiančią sistemą. Dabar matyti ryškus lūžis. Atsirado šaltiniai ir matavimo įrenginiai, kurie vis dažniau telpa luste, o ne užima pusę optikos laboratorijos stalo. Tarp svarbiausių technologijų minimos integruotoji fotonika, nelinijinė optika ir erdvinių režimų konversijos, įgyvendinamos daugiaplanių optinių elementų pagalba. Pastarasis aspektas itin svarbus, nes šviesos struktūroje sunkiausia – valdomai perjungti vieną režimą į kitą nesugriaunant kvantinio koherentiškumo.
Prie to prisideda ir spartus laikinis modeliavimas. Jei šviesa turi struktūrą ne tik erdvėje, bet ir itin trumpuose laiko masteliuose, atsiranda dar viena ašis informacijos kodavimui ir apdorojimui. Tai ta riba, kai fotonas nustoja būti vien paprastas impulsas ir tampa objektu, turinčiu specialiai suprojektuotą geometriją keliose nepriklausomose dimensijose.
Vis dėlto entuziazmą nesunku pervertinti. Daugelis perdavimo kanalų „nemėgsta“ erdvinių būsenų. Šviesolaidžiai, atmosferos turbulencijos, optikos netobulumai, vibracijos ir mikrodeformacijos gali maišyti režimus ir išplauti struktūrą, kuri laboratorijos sąlygomis atrodo ideali. Dėl to stipriai erdviškai struktūrizuotų fotonų perdavimo nuotolis dažnai būna mažesnis nei sistemų, paremtų labiau klasikinėmis savybėmis, pavyzdžiui, poliarizacija.
Tai nereiškia, kad poliarizacija visada laimi. Ji tiesiog lengviau apsaugoma tipinėje infrastruktūroje, o erdviniai režimai jautresni netobulam optiniam keliui. Šis apribojimas kartu tampa ir progreso varikliu. Kadangi erdvinė struktūra dažnai kebli, didėja susidomėjimas abstraktesniais laisvės laipsniais, erdvės ir laiko hibridais bei tokiais kodavimo metodais, kurie iš anksto numato, jog dalis informacijos bus veikiama trikdžių – tai įskaičiuojama tiesiog projektuojant būseną.
Topologija kaip informacijos šarvai
Ką čia reiškia topologija? Supaprastintai – tai savybės, kurios neišnyksta nuo nedidelių deformacijų. Jei pavyksta sukurti kvantinę šviesos būseną, kuri turi topologinį atsparumą daliai trikdžių, informacija nebūtinai suyra vos susidūrusi su realiu pasauliu. Šis požiūris nežada stebuklingų sprendimų – topologija nepašalins nuostolių, triukšmo ar detektorių ribotumo. Tačiau ji gali pakeisti paties uždavinio pobūdį: vietoj kovos už idealiai švarų perdavimo kanalą stengiamasi užtikrinti, kad informacija išliktų, net jei dalis susietumo ir koherentiškumo dėl savo prigimties yra labai trapūs.
Svarbu tai, kad topologinis atsparumas tiesiogiai susijęs su daugiamatiškumo idėja. Kai būsena turi kelias nepriklausomas ašis, o dalis jos savybių yra topologiškai „įtvirtintos“, atsiranda vietos naujiems ryšių ir jutiklių protokolams. Praktiniu požiūriu tai atrodo kaip kelias į sistemas, kurioms nereikia idealių laboratorinių sąlygų, kad jos veiktų pakankamai patikimai.
Ryšio technologijose svarbiausia – talpa ir saugumas. Jei vienas fotonas gali pernešti daugiau informacijos, didėja kodavimo tankis. O daugiamatis kodavimas padeda kurti protokolus, kurie jautriau ir tiksliau aptinka bandymus manipuliuoti signalu bei klaidas. Tai nėra automatinis seifas, tačiau suteikia kur kas daugiau laisvės sistemų kūrėjams.
Vaizdinimo ir metrologijos srityse struktūrizuoti fotonai gali duoti geresnę skiriamąją gebą ir didesnį jautrumą situacijose, kai fotonų skaičius ribotas. Kiekvienas fotonas tokiu atveju yra labai vertingas, o jei jį pavyksta „išnaudoti informaciškai“ efektyviau, pasikeičia santykis tarp matavimo trukmės ir gaunamo rezultato kokybės.
Didžiausias išbandymas – miniatiūrizacija ir integracija. Jei šaltinius, moduliatorius ir detektorius, skirtus aukštų dimensijų šviesos būsenoms, bus galima patikimai integruoti į lustus ir serijiniu būdu gaminti, ši sritis nustos būti tik specializuotų laboratorijų prerogatyva. Tą akimirką papildomi fotono matmenys taps tiesiog dar viena standartine fotoninių įrenginių funkcija.
