211service.com
Eén foton draagt 10 bits informatie
Losse fotonen zijn bij uitstek geschikt om informatie in digitale vorm te verzenden, zodat elk foton een 0 of een 1 codeert. In dat geval is het gemakkelijk voor te stellen dat dit alle gegevens zijn die een enkel foton kan bevatten. Niet zo! In theorie is er geen limiet aan de hoeveelheid informatie die een enkel foton kan coderen.
En dat roept een interessante vraag op. Hoeveel informatie kunnen natuurkundigen in de praktijk in een enkel foton stoppen? Wat maakt de huidige technologie mogelijk?
Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Tristan Tentrup en vrienden van de Universiteit Twente in Nederland. Ze hebben voor het eerst meer dan 10 bits in een enkel foton gepakt.
Hun methode is in theorie eenvoudig. De benadering is om een enkel foton te associëren met een uniek lid van een alfabet. Als het alfabet veel leden bevat, bevat het foton veel informatie.
Het is niet moeilijk om te zien waarom. Wanneer een alfabet slechts twee leden bevat, zoals binaire code, codeert elk lid één bit informatie. Dit is de hoeveelheid informatie die nodig is om elk symbool in het alfabet te beschrijven.
Maar als het alfabet groter is, is er meer informatie nodig om elk lid uniek te beschrijven. Dus elk lid kan die hoeveelheid gegevens coderen.
De werkelijke hoeveelheid informatie wordt door het logboek gegeven aan basis 2 van het aantal leden. In een alfabet van 10 symbolen, zoals elk decimaal getal, codeert elk symbool bijvoorbeeld ongeveer 3,3 bits. In een alfabet van 26 symbolen, zoals het Engelse alfabet, codeert elk symbool 4,7 bits. Enzovoorts.
Tentrup en co bereiken hun doel door een alfabet te maken met 9.072 symbolen. In dat geval codeert elk symbool meer dan 13 bits informatie.
Het maken van dit alfabet is eenvoudig. Tentrup en co doen het door een raster van 112 x 81 pixels te definiëren - dat zijn er 9.072. Elke pixel vertegenwoordigt een ander symbool van het alfabet. Om een foton met een van deze symbolen te coderen, hoeven ze het foton alleen maar naar dat deel van het raster te richten. Dus wanneer een specifieke pixel de aankomst van een foton registreert, registreert hij dat symbool.
Het lastige is om dit nauwkeurig te doen met enkele fotonen. Een manier om fotonen te sturen is met een kantelbare spiegel die ze eenvoudig in een specifieke, controleerbare richting reflecteert. Maar Tentrup en co gebruiken een flexibeler apparaat, een ruimtelijke lichtmodulator genaamd, die het golffront van een foton wijzigt terwijl het het reflecteert. Dit maakt gebruik van diffractie-effecten om het foton naar zijn doel te sturen.
Het detecteren van enkele fotonen is ook een potentiële bananenschil, omdat elk strooilicht het signaal kan overweldigen. Tentrup en co hebben een handig trucje om dit te voorkomen. In plaats van afzonderlijke fotonen te maken, creëren ze ze in paren en coderen ze slechts één ervan met informatie met behulp van dit stuurmechanisme. Ze kijken uit naar de ander als waarschuwing dat de eerste op het punt staat bij de pixel aan te komen.
Hierdoor kunnen ze de pixel inschakelen op het moment dat het eerste foton arriveert. En dit vermindert drastisch de kans dat een verdwaald foton het signaal overspoelt. Toch heeft ruis nog steeds invloed en bevatten de fotonen iets minder informatie dan het theoretische maximum.
De resultaten zijn niettemin indrukwekkend. We demonstreren hoogdimensionale codering van enkele fotonen die 10,5 bit per foton bereiken, zeggen Tentrup en co. Dat is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van het vorige record van slechts zeven bits per foton en suggereert meteen manieren om nog meer te coderen door de grootte van het raster te vergroten.
Het werk heeft directe toepassingen. Natuurkundigen gebruiken informatie die is gecodeerd in enkele fotonen al voor toepassingen zoals de distributie van sleutels in kwantumcryptografie.
Deze informatie is momenteel gecodeerd in enkele fotonen met behulp van de binaire code van 0s en 1s. Maar door de nieuwe techniek kan elk foton onmiddellijk een orde van grootte meer dragen. Een veelbelovende richting voor dit werk zou dan de implementatie zijn van een grote ruimtelijke alfabetcodering voor de distributie van kwantumsleutels, aldus Tentrup en co.
We hoeven dus niet lang te wachten om deze recordbrekende technologie in actie te zien.
Referentie: http://arxiv.org/abs/1609.04200 : Meer dan 10 bit verzenden met een enkele foton