Квантовый структурированный свет может изменить безопасную связь и вычисления

Международная группа учёных опубликовала в журнале Nature Photonics обзор, посвящённый быстро развивающейся области квантового структурированного света. Этот подход объединяет квантовую информатику с тщательно сконструированными пространственно-временными паттернами света, что позволяет фотонам переносить значительно больше информации, чем раньше.

Исследователи описывают, как одновременный контроль нескольких свойств света — поляризации, пространственных мод и частоты — позволяет создавать высокоразмерные квантовые состояния. В этой системе стандартные кубиты (двумерные) заменяются на кудиты (с более чем двумя измерениями). Это расширяет возможности квантовых систем и открывает новые пути в науке и технологиях.

Мы находимся на переломном этапе: квантовый структурированный свет больше не просто научное любопытство, а инструмент с реальным потенциалом для преобразования связи, вычислений и обработки изображений.

В квантовой связи такие высокоразмерные фотоны повышают безопасность, упаковывая больше данных в каждую частицу света. Они также позволяют одновременно работать множеству каналов связи, улучшая устойчивость к ошибкам и фоновому шуму. Для квантовых вычислений структурированный свет может упростить схемы и ускорить обработку, а также позволит создавать сложные квантовые состояния для продвинутых симуляций.

Достижения наблюдаются и в области визуализации, сенсорики и исследования материалов. Учёные отмечают улучшенные методы получения изображений, такие как недавно разработанный голографический квантовый микроскоп для работы с хрупкими биологическими образцами, а также создание сверхчувствительных сенсоров, использующих квантовые корреляции. Кроме того, структурированный свет можно использовать для моделирования сложных квантовых систем, что помогает изучать взаимодействия молекул и может привести к открытию новых материалов.

По словам профессора Эндрю Форбса из Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге, за последние 20 лет область претерпела драматические изменения. Сегодня существуют компактные и эффективные источники квантового структурированного света на чипе, способные создавать и контролировать квантовые состояния. Однако остаются и вызовы, например, очень малое расстояние передачи для структурированного света, что одновременно стимулирует поиск новых решений.

Обзорная статья, ставшая обложкой ноябрьского номера Nature Photonics 2025 года, является результатом долгосрочного сотрудничества исследователя Адама Вальеса из Автономного университета Барселоны и группы Форбса. Работа также поддерживалась Каталонской квантовой академией (CQA).