[论文解读] 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 8

一句话总结

该论文展示了在维也纳城市湍流大气中，通过3公里距离的轨道角动量（OAM）态实现稳健的经典通信，利用基于人工神经网络的新型检测方法，实现了1%的平均误码率。该系统保持了OAM模式之间的相对相位，为未来基于纠缠OAM态的长距离量子通信提供了稳定传输的基础。

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.

研究动机与目标

• 展示在强大气湍流中通过轨道角动量（OAM）模式叠加编码的经典信息传输的可行性。
• 解决先前实验室规模实验在真实湍流条件下观察到的OAM模式质量退化问题。
• 开发并验证一种检测方法，以在高湍流环境中准确识别OAM模式强度分布。
• 在传输过程中保持OAM模式之间的相对相位，这是量子通信的关键要求。
• 为利用大气信道中的纠缠OAM态实现长距离量子通信建立实际可行的路径。

提出的方法

• 在维也纳城市大气湍流中，通过3公里距离传输16种OAM模式叠加态。
• 采用基于人工神经网络的新型检测方案，以识别OAM模式强度分布。
• 将强度分布作为OAM自由度中经典信息的编码机制。
• 实施相位稳定传输协议，以在传播过程中保持OAM模式之间的相对相位。
• 在代表真实城市大气信道的强湍流条件下进行实验验证。
• 利用参考信号和机器学习技术，提升在噪声和湍流环境下的模式分辨能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强大气湍流中，OAM基经典通信是否能在长距离下维持低误码率？
• RQ2 人工神经网络在真实湍流条件下检测OAM模式叠加态的效率如何？
• RQ3 在通过湍流空气的长距离传输中，OAM模式之间的相对相位保持程度如何？
• RQ4 与受控实验室环境相比，OAM模式质量在高湍流城市环境中是否能够维持？
• RQ5 在大气信道中，使用OAM模式实现长距离量子通信的实际可行性如何？

主要发现

• 该系统在维也纳强大气湍流条件下，通过3公里传输链路，实现了1%的平均误码率。
• 人工神经网络检测方法在湍流条件下成功以高精度识别OAM模式叠加态。
• OAM模式之间的相对相位在传输过程中得以保持，表明其对量子信息协议至关重要。
• 实验表明，与基于实验室湍流模拟的预期相反，OAM基通信在真实城市大气条件下依然可行。
• 结果支持利用纠缠OAM态在自由空间光链路中实现长距离量子通信的潜力。
• 该方法对湍流引起的模式串扰表现出鲁棒性，使OAM复用在真实环境中具有实际应用潜力。