Acea rotatie care interconecteaza tot ce exista

Intr-un studiu care a aparut in Physical Review Letters, cercetatorii raporteaza ca fotonii interconectati care calatoresc printr-o miscare de rotatie, gen tirbuson, realizeaza holograme ce ofera posibilitatea de criptare densa si ultrasecurizata a datelor.

In mod obisnuit, exista doua moduri prin care lumina transporta informatii: prin polarizare si prin momentul sau unghiular, in special prin momentul sau unghiular orbital (Orbital Angular Momentum – OAM).

Polarizarea se refera la orientarea geometrica a oscilatiilor undelor electromagnetice ale luminii (a componentelor electrice si magnetice ale luminii).

O unda electromagnetica precum lumina (cunoscuta si sub numele de radiatie electromagnetica sau EMR) consta dintr-un camp electric oscilant cuplat si un camp magnetic care sunt intotdeauna perpendiculare unul pe celalalt.

Prin conventie, polarizarea undelor electromagnetice se refera la directia campului electric. In polarizarea liniara, campurile oscileaza intr-o singura directie.

Polarizarea circulara sau eliptica, precum cea descrisa in imaginea animata de mai jos, are campurile intr-o miscare de rotatie cu o rata constanta intr-un plan pe masura ce unda se deplaseaza, fie in dreapta, fie in stanga.

Sursele obisnuite de EMR, cum ar fi soarele sau lampile, radiaza tot felul de polarizari si, prin urmare, comportamentul lor net este considerat nepolarizat.

In urma trecerii acestei lumini nepolarizate printr-un polarizator (de exemplu o fanta), care permite trecerea undelor de o singura polarizare, se poate produce lumina polarizata.

Unele materiale, cum ar fi cele care prezinta birefringenta, dicroism sau activitate optica, afecteaza lumina diferit, in funcție de polarizarea acesteia. Si toate moleculele chirale – molecule care nu pot fi suprapuse cu imaginea lor in oglinda – pot face acelasi lucru.

Fotonii si tipurile de rotatie

Conform mecanicii cuantice, undele electromagnetice sunt compuse dintr-un flux de particule numite fotoni. Privita in acest fel, polarizarea unei unde electromagnetice este determinata de o proprietate mecanica cuantica a fotonilor numita rotatie.

In privința directiei sale de propagare, un foton se poate roti fie in dreapta, fie in stanga. Undele electromagnetice polarizate circular sunt compuse din fotoni cu un singur tip de rotatie, fie la dreapta, fie la stanga.

Insa, undele polarizate liniar constau din fotoni care se afla intr-o suprapunere de stari polarizate circular dreapta si stanga cu amplitudine egala, iar fazele lor sunt sincronizate pentru a da oscilatie intr-un plan.

Polarizarea este unul dintre gradele de libertate pe care se poate codifica informatia. Chiar daca polarizarea fotonilor este controlabila si rezistenta impotriva turbulentelor atmosferice, starile de polarizare limiteaza complexitatea starilor de interconectivitate pentru multe sarcini de comunicare cuantica, deoarece ele locuiesc intr-un spatiu de stare bidimensional.

Aceasta limitare este depasita cu ajutorul modurilor de moment orbital unghiular (OAM) ale fotonilor, deoarece adauga o dimensiune suplimentara, obtinand o miscare de tirbuson 3D care ofera un spatiu de stare nelimitat.

Astfel de stari pot transporta o cantitate mai mare de informatii per foton si acest lucru permite, de asemenea, tipuri mai complexe de corelatii non-clasice, cum ar fi interconectivitatea numerelor cuantice mari sau interconectivitatea de dimensiuni mari si criptografia.

Momentul orbital unghiular al luminii

Orice unda electromagnetica, cum ar fi lumina, transporta nu numai energie, ci si impuls, care este o proprietate caracteristica tuturor obiectelor in miscare.

Existenta acestui impuls devine evidenta odata cu fenomenul numit „presiune de radiatie”, in care un fascicul de lumina isi transfera impulsul unui obiect absorbant sau care disperseaza, generand o presiune mecanica asupra acestuia. Lumina exercita presiune asupra obiectelor.

De asemenea, lumina poate transporta momentul unghiular, care este o proprietate a tuturor obiectelor aflate in miscare de rotatie.

Un fascicul de lumina se poate roti in jurul propriei axe in timp ce se propaga inainte, iar existenta acestui moment unghiular este evidentiata atunci cand un cuplu optic este indus unei mici particule de absorbtie sau de dispersie care primeste acest transfer de moment unghiular in timpul interactiunii.

Momentul unghiular al luminii este o marime vectoriala care exprima cantitatea de rotatie dinamica prezenta in campul electromagnetic al luminii. Un fascicul de lumina poate fi rotit, rasucit in jurul propriei axe, in timp ce se propaga in linie dreapta.

Forme de rotatie ale unui fascicul de lumina

Doua forme distincte de rotatie pot fi gasite intr-un fascicul de lumina. Prima implica polarizarea campurilor electrice si magnetice in jurul directiei de propagare, denumita moment unghiular de rotatie a luminii (SAM).

Cealalta se refera la frontul sau de unda, in special frontul de unda de forma elicoidala, denumita moment unghiular orbital usor (OAM).

Dupa cum se arata in imaginea animata de mai sus, un front de unda plan este ansamblul tuturor punctelor care au aceeasi faza, unde faza este o marime asemanatoare unui unghi care reprezinta fractiunea ciclului acoperita intr-o rotatie de 2π.

In imaginea de mai sus, cand un front de unda plan trece printr-o lentila se curbeaza, ceea ce inseamna ca undele care compun fasciculul s-au defazat.

Modurile elicoidale ale campului electromagnetic sunt caracterizate printr-un front de unda care este in forma de spirala, cu un vortex optic (punctul de intensitate zero al fasciculului) in centru, la axa fasciculului.

In principiu, fotonii cu un front de faza rasucit pot transporta o cantitate discreta, nelimitata de moment unghiular orbital (OAM). Spatiul mare de stari permite tipuri complexe de interconectare care ar putea rezista incoerentei in medii provocatoare.

Proprietatile fundamentale ale fizicii cuantice in spatii mai mari decat cele disponibile in interiorul unui laborator pot fi atinse prin interconectarea cuantica pe distante mari cu fotoni, deschizand posibilitatea comunicarii cuantice intre locatii indepartate care ar putea actiona ca noduri pentru reteaua cuantica globala.

Cu toate acestea, se asteapta ca aceste distante lungi sa fie dificil de obtinut din cauza influentei negative a turbulentelor atmosferice asupra unor astfel de moduri.

Comunicatii cuantice interconectate securizate

O lucrare din 2015, realizata la Viena si in colaborare cu laureatul Nobel Anton Zeilinger, prezinta rezultatele unui experiment in care autorii arata ca distributia interdependentei cu moduri spatiale codificate in OAM este intr-adevar posibila pe o legatura turbulenta de 3 kilometri lungime.

Rezultatele lor sugereaza ca lumina care se roteste joaca un rol fundamental in sistemele de comunicatii cuantice, permitand transmiterea de date de mare viteza, deoarece lumina poate veni cu un numar diferit de rotatii, unde fiecare rasucire serveste ca un canal diferit de comunicare.

Autorii au identificat 11 canale disponibile in experimentul lor si sugereaza ca, daca suntem ajutati de o tehnologie corespunzatoare, ar putea exista mult mai multe canale.

Insa apare acum o noua provocare. Cum se creeaza o cheie securizata intre parti pentru a preveni furtul de informatii?

Aceasta este ceea ce au realizat cu succes lucrarile recente ale fizicianului Xiangdong Zhang de la Institutul de Tehnologie din Beijing si echipa sa.

In loc sa transmita informatii pe mai multe canale de lumina rasucite, folosind aceeasi abordare pentru a inregistra date in holograme, perechile de fotoni cu numere diferite de rotatii creeaza seturi distincte de date intr-o singura holograma.

Dupa cum s-a explicat aici, cu cat sunt implicate mai multe stari de moment unghiular orbital, fiecare cu numere diferite de rasucire, cu atat cercetatorii pot impacheta mai multe date intr-o holograma.

Acest lucru nu numai ca impacheteaza mai multe date in holograme, dar creste si diversitatea rasucirilor folosite pentru a inregistra datele, sporind securitatea mai mult decat exponential, deoarece o persoana trebuie sa stie sau sa ghiceasca cum a fost rotita lumina, pentru a citi informatiile purtate de aceasta.

In loc de incheiere

Dupa cum se stie deja, un fascicul de lumina se poate roti sau rasuci in jurul propriei axe in timp ce se propaga inainte, iar existenta acestui moment unghiular este evidentiata prin transferarea lui la particule mici absorbante sau care disperseaza, care este astfel supusa unei optici de cuplu.

Dar acest efect nu se limiteaza la interactiunea lumina-materie, deoarece a fost descoperit si cuplul Casimir. S-a dovedit ca OAM al fluctuatiilor de vid exista si s-a dovedit ca induce un cuplu intr-un sistem material.

Ce implica toate acestea cand vorbim despre vidul cuantic? Exista un singur lucru… exista un camp care se roteste. Momentul unghiular total al campului electromagnetic, al celorlalte campuri de forta si al materiei este intotdeauna conservat in timp.

Dupa cum s-a menționat mai devreme, cu cat sunt implicate mai multe stari de moment unghiular orbital, fiecare cu numere diferite de rotatie, cu atat cercetatorii pot impacheta mai multe date intr-o holograma.

Acest lucru nu numai ca impacheteaza mai multe date in holograme, dar creste si diversitatea rasucirilor utilizate pentru inregistrarea datelor, sporind securitatea, deoarece persoana trebuie sa stie cum a fost rasucita lumina pentru a citi informatiile continute in interior.

Nu este un eveniment intamplator faptul ca prin intermediul modelului holografic generalizat, care explica impachetarea informatiilor in orice sistem sferic (in termenii Unitatilor Sferice Planck – cuante de moment unghiular al vidului cuantic), se realizeaza unificarea scarilor, demonstrand in plus ca traim intr-un univers holografic in care informatiile sunt codificate holografic in starea de suprafata sau de limita a gaurilor negre in rotatie, cum ar fi, de exemplu, protonii.

Miscarea de rotatie si momentul unghiular al plasmei in vidul cuantic este, prin urmare, sursa transferului de informatii interconectate, protejate la nivel maxim, transfer responsabil pentru holograma pe care o numim realitate.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

---

Sursa: researchsquare.com, sciencenews.org, resonancescience.org.

Imagine: Oleg Alexandrov, E-karimi.

---

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.