[論文レビュー] Twisted light communication through turbulent air across Vienna

Mario Krenn, Robert Fickler+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2014

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ウィーンの乱流のある都市部の空気中を3 kmの距離で伝送する際に、OAM状態を用いた堅牢な古典的通信を実証した。人工ニューラルネットワークに基づく新規な検出法により、平均1%の誤り率を達成した。このシステムはOAMモード間の相対位相を保持しており、将来の長距離量子通信に不可欠な安定伝送を可能にした。

ABSTRACT

The orbital-angular momentum (OAM) of light has recently emerged as a promising candidate for quantum and classical information systems. The discrete, unbounded state-space of OAM not only promises vastly enhanced data rates, but also an increased tolerance to eavesdropping in quantum communication. Numerous recent lab-scale experiments have found significant degradation in OAM mode quality while transmitting light carrying such modes through simulated turbulence. Here we experimentally realize the transmission of classical information encoded in the intensity patterns of 16 OAM mode superpositions through 3 km of strong turbulence over the city of Vienna. The average error rate is 1%. Our method relies on a novel detection scheme that identifies the mode intensity patterns using an artificial neuronal network. We show that in our method the relative phase between two modes is transmitted in a stable way. This opens the possibility for long-distance quantum communication with entangled OAM states.

研究の動機と目的

• 強力な大気乱流を通過するOAMモード重ね合わせに符号化された古典的情報の伝送の可能性を実証すること。
• 実世界の大気乱流条件下で、従来のラボスケール実験で観察されたOAMモード品質の劣化を解消すること。
• 高乱流環境下でもOAMモード強度パターンを正確に同定できる検出手法の開発と検証。
• 伝送中にOAMモード間の相対位相を保持すること。これは量子通信に不可欠な要件である。
• 大気チャネルを介したエンタングルドOAM状態を用いた長距離量子通信の実用的道筋を確立すること。

提案手法

• ウィーンの都市的大気乱流を3 km通過する16個のOAMモード重ね合わせの伝送。
• 人工ニューラルネットワークに基づく新規検出方式を用いて、OAMモード強度パターンを同定。
• 古典的情報のOAM自由度における符号化メカニズムとして、強度パターンを採用。
• 伝送中にOAMモード間の相対位相を保持する位相安定型伝送プロ rotocol を実装。
• 実世界の都市的大気チャネルに相当する強力な乱流条件下での実験的検証。
• ノイズが多く乱流のある環境下でのモード識別を向上させるために、リファレンス信号と機械学習を活用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OAMベースの古典的通信は、強力な大気乱流下でも長距離伝送で低誤り率を維持できるか？
• RQ2 人工ニューラルネットワークは、実世界の大気乱流条件下でOAMモード重ね合わせをどの程度効果的に検出できるか？
• RQ3 大気乱流を通過する長距離伝送中に、OAMモード間の相対位相はどの程度保持されるか？
• RQ4 高乱流を示す都市環境下でも、ラボ環境とは異なりOAMモードの品質を維持できるか？
• RQ5 OAMモードを用いた長距離量子通信の実用的妥当性は何か？

主な発見

• ウィーンの強力な大気乱流を通過する3 km伝送リンクにおいて、平均ビット誤り率が1%に達した。
• 人工ニューラルネットワークによる検出法は、乱流環境下でもOAMモード重ね合わせを高い精度で同定できた。
• 伝送中にOAMモード間の相対位相が保持されたことから、量子情報プロトコルに不可欠な安定性が示された。
• 実験により、OAMベース通信が、ラボベースの乱流シミュレーションの予想とは対照的に、実都市的大気条件下でも実用可能であることが示された。
• 結果から、自由空気光リンクを用いたエンタングルドOAM状態を用いた長距離量子通信の可能性が支持された。
• 本手法は乱流に起因するモードクロストークに強く、実世界環境におけるOAM multiplexingの実用的利用が可能であることが示された。