Дослідницька група Віденського університету побила відразу два рекорди, експериментуючи із «закрученим» світлом. Отримані результати, опубліковані (перша робота присвячена дальності передачі даних, друга - ступеня закрученості фотонного променя), представляють далеко не тільки академічний інтерес: вони демонструють величезну інформаційну ємність такого світла і потенціал передачі даних у відкритому просторі для практичного використання в комунікаціях.
Світло - це хвиля електромагнітного поля, і як у будь-якої хвилі, у світла є хвильовий фронт - уявна поверхня в просторі, в точках якої світлове коливання знаходиться в якійсь конкретній фазі. У «звичайного» світла хвильовий фронт плоский, і ця площина перпендикулярна напрямку його поширення. У закрученого світла хвильовий фронт гвинтовий, його фазова площина немов закручується штопором у напрямку поширення хвилі. При цьому закрученість хвильового фронту не має відношення до поляризації: ні до лінійної, ні до кругової. Закручене світло може бути як поляризованим, так і не поляризованим, так само як і поляризоване світло може бути як плоским, так і закрученим.
З точки зору квантової механіки, поляризація фотона - це прояв його спина, а закрученість - прояв орбітального кутового моменту. Залежно від того, в який бік повертається гвинт хвильового фронту, закрученість може бути позитивною і негативною - і в цьому теж є схожість з поляризацією. Але, на відміну від поляризації, ступінь закрученості (орбітальний кутовий момент) може бути, в принципі, наскільки завгодно великий; чим вона більша, тим більше так зване квантове число, яким фотон описується. У цьому і полягає важлива характеристика закрученого світла: у закрученості набагато більша «інформаційна місткість», ніж у поляризації, тому її цінність для комунікації набагато вища.
Вчені віденського центру квантових наук і технологій (VCQ) та інституту квантової оптики і квантової інформації (IQOQI Vienna), використовуючи цю властивість закрученого світла, побили відразу два рекорди - дальність відстані передачі даних і величини квантового числа для закрученого світла.
У попередніх експериментах необхідно було визначити, як сильно можна «закрутити» одиничний фотон без втрати різноманітних квантових властивостей. Вчені використовували нову техніку: дзеркала «спіральної фази», які змогли закрутити фотони безпрецедентно сильним чином і тим самим збільшити квантові числа до величезних значень. У результаті такого підходу фотони вдалося розкрутити до значень квантових чисел, що перевищують 10000, що в сто разів більше, ніж у попередніх дослідах.
Дзеркала були зроблені з алюмінієвих дисків, поверхня яких оброблена високоточним токарним верстатом і розбита на кутові сегменти. Кожен з сегментів при цьому формував свою частину необхідного нахилу спіральної фази. Вчені використовували в експериментах три різних дзеркала, так що фазовий фронт отриманих фотонних променів набував кутові моменти рівні 500, 1000 і 10000 відповідно. Виявилося, що використання такого роду дзеркал дозволяє формувати хвильовий фронт світла з більш високою точністю, ніж може дати будь-який інший комерційно доступний пристрій, і дозволяє отримати найбільш високі показники квантових чисел.
Для передачі даних у комунікаціях важливий захист переданої інформації, тому вчені використовують заплутані фотонні пари - дві частинки світу, які можуть перебувати на довільній відстані один від одного, але тим не менш залишаються взаємозалежними. У такому стані неможливо виміряти параметри однієї частинки, не спотворивши другу. В експерименті вчені сформували заплутані фотонні пари і потім закрутили один з фотонів дзеркалами до п'ятизначного квантового числа, при цьому заплутаність збереглася.
В принципі, закручене світло може нести наскільки завгодно велику кількість інформації з кожним фотоном (за умови, що її вдасться прочитати), і вчені вже проводили експерименти з вражаючими обсягами даних. Наприклад, передача даних закрученим світлом 100 терабіт в секунду (обсяг 120 дисків Blu-Ray) вже здійснена в лабораторних умовах. Однак, передача даних під відкритим небом залишається складним завданням: досі така комунікація була обмежена відстанню в 3 кілометри - результат, отриманий цією ж віденською групою вчених два роки тому (чарівне відео з описом цього експерименту наведено нижче).
У новому дослідженні вчені показали, що інформація, передана закрученим світлом, може бути розпізнана навіть при передачі на більш ніж 100 км. Експеримент проводився між канарськими островами Ла Пальма і Тенеріфе, розташованих в 143 км один від одного. Повідомлення «Hello World!» закодували зеленим лазерним світлом з оптичною голографією, і воно було розпізнано за допомогою нейромереж при отриманні.
Тепер продемонстровані властивості світла повинні бути з'єднані з сучасними комунікаційними технологіями - цим завданням вже зайнялися кілька дослідницьких груп.