Teilchen aus verdrehtem Licht, die mithilfe der Quantenmechanik verschränkt wurden, bieten einen neuen Ansatz zur dichten und sicheren Datenspeicherung.
Hologramme, die 3-D-Bilder erzeugen und als Sicherheitsmerkmale auf Kreditkarten dienen, werden normalerweise mit Mustern hergestellt, die mit Laserlichtstrahlen aufgebracht werden. In den letzten Jahren haben Physiker Wege gefunden, stattdessen Hologramme mit verschränkten Photonen zu erzeugen. Jetzt gibt es buchstäblich eine neue Wendung in der Technologie.
Verschränkte Photonen, die sich auf Korkenzieherpfaden bewegen, haben zu Hologrammen geführt, die die Möglichkeit einer dichten und ultrasicheren Datenverschlüsselung bieten, berichten Forscher in einer Studie, in der sie erscheinen sollen Briefe zur körperlichen Überprüfung.
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Licht kann sich auf verschiedene Arten bewegen, einschließlich der Muster von oben und unten und von Seite zu Seite von polarisiertem Licht. Aber wenn es eine Art Rotation trägt, die als orbitaler Drehimpuls bekannt ist, kann es sich auch in Spiralen ausbreiten, die verdrehten Rotini-Nudeln ähneln.
Wie alle anderen Photonen können die verdrehten Versionen verschränkt werden, sodass sie im Wesentlichen als eine Einheit agieren. Etwas, das eines der verschränkten Photonenpaare beeinflusst, wirkt sich sofort auf das andere aus, selbst wenn sie sehr weit voneinander entfernt sind.
In früheren Experimenten haben Forscher Daten in verschränkten Paaren verdrillter Photonen durch die Luft geschickt (SN: 05.08.15). Der Ansatz sollte eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung ermöglichen, da Licht unterschiedlich stark verdreht sein kann, wobei jede Verdrehung als ein anderer Kommunikationskanal dient.
Jetzt wurde der gleiche Ansatz angewendet, um Daten in Hologrammen aufzuzeichnen. Anstatt Informationen auf mehreren verdrillten Lichtkanälen zu übertragen, erzeugen Photonenpaare mit unterschiedlicher Verdrillung unterschiedliche Datensätze in einem einzigen Hologramm. Je mehr Bahndrehimpulszustände beteiligt sind, die jeweils unterschiedlich stark verdreht sind, desto mehr Daten können Forscher in ein Hologramm packen.
Zusätzlich zum Packen von mehr Daten in Hologramme erhöht die Erhöhung der Vielfalt der zum Aufzeichnen der Daten verwendeten Wendungen die Sicherheit. Wer die Informationen auslesen will, muss wissen oder erraten, wie das Licht, das sie aufgenommen hat, verdreht wurde.
Für ein Hologramm, das auf zwei Arten von Drehungen beruht, müsste man laut dem Physiker Xiangdong Zhang vom Beijing Institute of Technology aus etwa 80 Möglichkeiten die richtige Kombination der Drehungen auswählen, um die Daten zu entschlüsseln. Wenn Sie das auf Kombinationen von sieben verschiedenen Wendungen erhöhen, ergeben sich Millionen von Möglichkeiten. Das, sagt Zhang, „sollte ausreichen, um sicherzustellen, dass unser quantenholografisches Verschlüsselungssystem über ein ausreichendes Sicherheitsniveau verfügt.“
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Die Forscher demonstrierten ihre Technik, indem sie Wörter und Buchstaben in Hologrammen verschlüsselten und die Daten mit verzerrtem Licht wieder auslasen. Obwohl die Forscher Bilder aus den holografischen Daten erzeugten, sollte die Speicherung selbst nicht mit holografischen Bildern verwechselt werden, sagt der Physiker Hugo Defienne vom Pariser Institut für Nanowissenschaften.
Defienne, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war, sagt, dass andere Quantenholographie-Schemata, wie seine Bemühungen mit polarisierten Photonen, direkte Bilder von Objekten einschließlich mikroskopischer Strukturen erzeugen.
„[Their] Idee ist da ganz anders. . . von unserem Ansatz in diesem Sinne“, sagt Defrienne. „Sie verwenden Holografie, um Informationen zu speichern“, anstatt die vertrauten 3D-Bilder zu erstellen, die die meisten Menschen mit Hologrammen assoziieren.
Die Twisted-Light-Datenspeicherung, die Zhang und seine Kollegen demonstrierten, ist langsam und benötigt fast 20 Minuten, um ein Bild des Akronyms „BIT“ für das Beijing Institute of Technology zu entschlüsseln, an dem die Experimente durchgeführt wurden. Und die Sicherheit, die die Forscher gezeigt haben, ist noch relativ gering, weil sie nur bis zu sechs Formen von verdrehtem Licht in ihre Experimente einbezogen haben.
Zhang ist zuversichtlich, dass beide Einschränkungen durch technische Verbesserungen überwunden werden können. „Wir glauben, dass unsere Technologie eine potenzielle Anwendung in der Quanteninformationsverschlüsselung hat“, sagt er, „insbesondere bei der Quantenbildverschlüsselung.“
Quellen
L.-J. Kong et al. Hochdimensionale verschränkungsfähige Holographie. Briefe zur körperlichen Überprüfungim Druck, 2023.
Autoren: James R. Riordon von Sciencenews
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