Fotonai dažnai vaizduojami kaip idealūs laiškininkai: jie perduoda informaciją iš taško A į tašką B, o geriausia, kad pakeliui jiems niekas netrukdytų. Vis dėlto toks vaizdinys yra pernelyg supaprastintas. Vienas fotonas gali pernešti kur kas daugiau nei tik etiketę „horizontali poliarizacija“ ar „vertikali poliarizacija“. Jį galima tarsi „išskulptūruoti“ taip, kad fotonas įgytų sudėtingą struktūrą erdvėje, laike ir dažnių srityje. Tuomet paaiškėja, kad tame pačiame nešiklyje telpa visas papildomas „alfabetas“.
Pastaraisiais metais ši idėja nustojo būti vien teorinis žaidimas. Kvantinėje fotonikoje didėja poreikis auginti perdavimo talpą ir atsparumą trikdžiams, mažinti šviesos šaltinių bei detektorių gabaritus, taip pat kurti vaizdinimo metodus, kurie iš itin mažo fotonų skaičiaus išgautų kuo daugiau informacijos. Priemonės fotonams „pjauti“ ir formuoti jau subrendo: atsiranda lustuose integruotos sistemos, spartaus laikinio moduliavimo technikos ir vis tikslesni matavimo metodai. Tai reiškia, kad darbas su papildomais fotono matmenimis vis dažniau tiesiogiai pritaikomas ryšio sistemoms, jutikliams ir vaizdinimui.
Fotonai su papildomu alfabetu
Klasikinėje ryšių teorijoje svarbiausia yra tai, kiek signalų galima perduoti per tam tikrą laiką ir apibrėžtą dažnių ruožą. Kvantiniu atveju atsiranda papildoma galimybė: vietoj kubitų (dvimačių būsenų) galima naudoti daugiamačius būsenų vienetus – kvaditus (qudit). Praktikoje tai reiškia, kad vienas fotonas gali užkoduoti daugiau nei dvi būsenas, o kartu atsiranda daugiau būdų aptikti trikdžius ir klaidas.
Toks papildomas „alfabetas“ atsiranda todėl, kad šviesa turi daugiau laisvės laipsnių, nei dažniausiai išnaudojame. Be poliarizacijos egzistuoja erdviniai režimai – šviesos lauko pasiskirstymo raštai, įskaitant susijusius su orbitiniu impulso momentu. Taip pat yra laikiniai ir dažniniai laisvės laipsniai. Pradėjus juos derinti tarpusavyje, susidaro daugiamačių ir daugialypių būsenų, kurių neįmanoma aprašyti vienu paprastu parametru.
Svarbiausia tai, kad daugiau matmenų reiškia ne vien didesnę informacijos talpą. Tai suteikia ir kitokį atsparumą trikdžiams. Jei perdavimo kanalas iškraipo vieną matmenį, kodavimą galima suprojektuoti taip, kad dalis informacijos būtų „perkelta“ į kitą. Tai ne magija, o išplėstas įrankių rinkinys, leidžiantis parinkti tinkamiausią strategiją pagal realias perdavimo sąlygas.
Kaip „skulptūruojama“ kvantinė šviesa?
Anksčiau pagrindinis ribojantis veiksnys buvo paprastas: teoriškai viskas atrodė įmanoma, tačiau praktikoje trūko stabilių šaltinių, moduliatorių ir matavimo metodų, kuriuos būtų galima sujungti į veikiančią sistemą. Dabar matomas ryškus lūžis. Pasirodė šaltiniai ir matavimo įrenginiai, kurie vis dažniau telpa luste, o ne užima didelę optikos laboratorijos dalį. Tarp svarbiausių technologijų minimos integruotoji fotonika, nelinijinė optika ir erdvinių režimų konversijos, įgyvendinamos naudojant daugiaplanius optinius elementus. Tai ypač svarbu todėl, kad vienas sudėtingiausių uždavinių yra valdomai perjungti vieną režimą į kitą nesugriaunant kvantinio koherentiškumo.
Prie pažangos prisideda ir spartus laikinis moduliavimas. Kai 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 „impulsas“ ir tampa objektu, turinčiu specialiai suprojektuotą geometriją keliose nepriklausomose dimensijose.
Vis dėlto entuziazmą nesunku pervertinti. Daugelis perdavimo kanalų „nemėgsta“ erdvinių būsenų. Šviesolaidžiai, atmosferos turbulencija, optikos netobulumai, vibracijos ir mikrodeformacijos gali maišyti režimus ir išplauti struktūrą, kuri laboratorijoje atrodo ideali. Dėl to stipriai erdviškai struktūrizuotų fotonų perdavimo nuotolis dažnai būna mažesnis nei sistemų, paremtų labiau įprastomis savybėmis, pavyzdžiui, poliarizacija.
Tai nereiškia, kad poliarizacija visada pranašesnė. Tiesiog tipinėje infrastruktūroje ją lengviau apsaugoti, o erdviniai režimai yra jautresni netobulam optiniam keliui. Kartu šis apribojimas tampa ir progreso varikliu: kadangi erdvinė struktūra dažnai problemiška, didėja susidomėjimas abstraktesniais laisvės laipsniais, erdvės ir laiko hibridais bei tokiais kodavimo metodais, kurie iš anksto numato, jog dalis informacijos patirs trikdžius, ir tai įskaičiuoja į pačios būsenos projektavimą.
Topologija kaip informacijos šarvai
Ką šiame kontekste reiškia topologija? Supaprastintai – tai savybės, kurios neišnyksta dėl nedidelių deformacijų. Jei pavyksta sukurti kvantinę šviesos būseną, turinčią topologinį atsparumą daliai trikdžių, informacija nebūtinai suyra vos susidūrusi su realaus pasaulio netobulumais. Toks požiūris nežada stebuklingų sprendimų: topologija nepašalina nuostolių, triukšmo ar detektorių ribotumo. Tačiau ji gali pakeisti paties uždavinio formulavimą: vietoj kovos dėl idealiai švaraus perdavimo kanalo siekiama, kad informacija išliktų net tada, kai dalis susietumo ir koherentiškumo (iš prigimties labai trapių) yra pažeidžiami.
Svarbu ir tai, kad topologinis atsparumas glaudžiai susijęs su daugiamatiškumo idėja. Kai būsena turi kelias nepriklausomas ašis, o dalis jos savybių yra topologiškai „įtvirtintos“, atsiranda erdvės naujiems ryšio ir jutiklių protokolams. Praktiniu požiūriu tai gali tapti keliu į sistemas, kurioms nereikia idealių laboratorinių sąlygų, kad jos veiktų pakankamai patikimai.
Ryšio technologijose svarbiausi kriterijai yra talpa ir saugumas. Jei vienas fotonas gali pernešti daugiau informacijos, didėja kodavimo tankis. Be to, daugiamatis kodavimas padeda kurti protokolus, kurie jautriau ir tiksliau aptinka bandymus manipuliuoti signalu bei įvairias perdavimo klaidas. Tai nėra automatinis „seifas“, tačiau suteikia gerokai daugiau laisvės sistemų kūrėjams.
Vaizdinimo ir metrologijos srityse struktūrizuoti fotonai gali pagerinti skiriamąją gebą ir padidinti jautrumą situacijose, kai fotonų skaičius ribotas. Tokiais atvejais kiekvienas fotonas yra itin vertingas, o jei pavyksta jį informaciškai „išnaudoti“ efektyviau, pasikeičia santykis tarp matavimo trukmės ir gaunamo rezultato kokybės.
Didžiausias išbandymas išlieka miniatiūrizacija ir integracija. Jei šaltinius, moduliatorius ir detektorius, skirtus aukštų dimensijų šviesos būsenoms, pavyks patikimai integruoti į lustus ir gaminti serijiniu būdu, ši sritis nustos būti vien specializuotų laboratorijų prerogatyva. Tuomet papildomi fotono matmenys taps tiesiog dar viena standartine fotoninių įrenginių funkcija.
