结构光技术可以使每个光子拥有更高的信息容量

南非威特沃特斯兰德大学（Wits）的研究人员报告了在量子协议中使用结构光来创建更大的编码字母的进展。研究人员说，由于光的模式可以彼此区分，因此可以将它们用作字母形式。“光可以有多种独特的图案-就像我们的脸一样，”安德鲁•福布斯教授说。 “在原则上至少有一组无限的模式，因此可以使用无限的字母。”

传统上，量子协议是使用光的偏振来实现的，光的偏振只有两个值，并且只能提供一个二能级系统，每个光子的最大信息容量为1位。光的空间模式（即光的模式）为较大编码字母提供了通往高维希尔伯特空间的途径，并有望提高每个光子的信息容量。而且，安全性将更强，并且对噪声的抵抗能力（例如背景光波动）将得到改善。

南非威特沃特斯兰德大学的研究人员回顾了在量子协议中使用结构光创建更大的编码字母、更强的安全性和更好的抗噪性方面取得的进展。 此图像显示了通过将极化与带有轨道角动量的“扭曲”图案相结合而产生的纠缠光子。 图片由Andrew Forbes和Issac Nape提供。

福布斯说：“光的模式是通往我们所谓的高维状态的一条途径。”“它们是高维的，因为量子过程涉及许多模式。不幸的是，用于管理这些模式的工具包仍未开发。”研究人员报告了利用轨道角动量以及混合纠缠将空间模式与极化相结合的矢量状态进展。尽管科学家们已经突破了维数和光子数的界限，但是对高维纠缠的多个光子完全控制仍然是一个挑战。福布斯说：“我们知道如何创建和检测纠缠在模式中的光子，但是我们并不能很好地控制它们从一个点移到另一个点，因为它们会在大气和光纤中变形。”“而且我们真的不知道如何有效地从中提取信息，目前需要太多的测量。”

福布斯及其合作者伊萨克•纳佩（Isaac Nape）帮助开拓了将混合态用于量子通信的先驱。福布斯说：“事实证明，通过将模式与极化相结合，可以同时利用两者中各自的优势，可以使用更简单的工具有效地实现许多协议。”混合状态是允许访问多维状态而不是模式的二维，例如，无限的二维系统集。这似乎是真正实现基于光模式量子网络的一种有前途的方法。”