Kwantowe ograniczenia w koherentnym łączeniu sygnałów optycznych

Podstawowym sposobem przesyłania informacji na duże odległości jest wykorzystanie fal elektromagnetycznych. Standardowo stosuje się w tym celu częstości radiowe oraz mikrofalowe. Przejście do jeszcze wyższych częstości, typowych dla sygnałów optycznych, teoretycznie pozwala na znaczne zwiększenie przepustowości komunikacji. Jedną z najważniejszych zalet komunikacji optycznej jest możliwość wykorzystania laserów co znacznie ogranicza rozbieżność wiązki światła i pozwala na lepsze skoncentrowanie sygnału, co jest istotne przy np. komunikacji satelitarnej. Dodatkowo częstości optyczne pozwalają na szybszą modulację sygnału, tzn. częstsze wysyłanie impulsów światła co zwiększa przepustowość, oraz, w obecnych warunkach, umożliwiają uniknięcie skomplikowanych formalności związanych z przydziałem częstości komunikacyjnych. Z drugiej strony budowa teleskopów optycznych na tyle dużych by móc odebrać istotną część wiązki światła w odbiorniku jest niezwykle kosztowna w porównaniu do anten operujących na częstościach radiowych. Sposobem na poradzenie sobie z tym problemem jest koherentne łączenie wiązek z kilku mniejszych teleskopów. W przeciwieństwie do sygnałów radiowych, gdzie, z racji na stosunkowo niskie częstości, można łączyć sygnały w przetwarzaniu końcowym w warstwie obliczeniowej, sygnały optyczne muszą być dodawane fizycznie już w odbiorniku. Wykorzystuje się w tym celu zjawisko interferencji światła na płytce światłodzielącej, na której jednym z portów wyjściowych, zwanym ciemnym, dokonuje się pomiaru natężenia światła. W idealnym przypadku bezszumnej komunikacji sygnały odebrane przez dwa teleskopy odejmują się na ciemnym porcie, dając zerowe natężenie a całość światła wychodzi z układu łączenia wiązek portem jasnym. Niestety, wskutek działania turbulencji atmosferycznych faza optyczna pomiędzy wiązkami światła odebranymi przez teleskopy fluktuuje, co sprawia, że tylko część sygnału opuszcza aparaturę przez jasny port a reszta ląduje w ciemnym. Z pomiarów natężenia światła w tym porcie można wywnioskować jaka była różnica faz między wiązkami i dokonać jej korekcji przed płytką światłodzielącą, zwiększając tym samym część sygnału interferującą konstruktywnie w kolejnych slotach czasowych.

Celem projektu jest zbadanie ograniczeń na wydajność koherentnego łączenia wiązek nakładanych przez prawa mechaniki kwantowej w realistycznych scenariuszach uwzględniających szum detekcji jak i fluktuacje fazy i natężenia związane z propagacją sygnału. W przypadku słabych sygnałów, typowych dla komunikacji satelitarnej lub z sondami w dalekiej przestrzeni kosmicznej, dodatkowym czynnikiem wpływającym na wydajność jest fundamentalny szum śrutowy związany z kwantową naturą światła. Dzieje się tak dlatego, iż na podstawowym poziomie impuls optyczny składa się z fotonów. Wynik pomiaru liczby fotonów jest probabilistyczny i zależy od statystyki fotonów opisanej przez stan kwantowy impulsu światła. Z powodu dyskretnej natury tego rozkładu prawdopodobieństwa może się zdarzyć, iż liczba zarejestrowanych fotonów będzie za mała by dokonać poprawnej korekcji fazy w czasie w którym fluktuacje fazy nie zmieniają istotnie jej wartości.

Znajdowanie sposobów zwiększenia wydajności i zbliżenia się do wyznaczonych ograniczeń będzie również ważnym elementem badań. Efektywne procedury korekcji fazy i estymacji natężenia sygnału mogą umożliwić ograniczenie wpływu fluktuacji tych parametrów. Częścią projektu jest także zbadanie zastosowania nieklasycznych stanów światła lub kwantowych detektorów w problemie łączenia wiązek, co może zwiększyć wydajność lub pozwolić łączyć wiązki o niższym natężeniu niż w przypadku klasycznym. Analogiczny efekt występuje w metrologii kwantowej, gdzie np. stany ściśnięte wykorzystywane są do zwiększenia precyzji pomiaru fazy w interferometrycznych obserwatoriach fal grawitacyjnych LIGO. Odpowiedzi na te powyższe zagadnienia mogą znaleźć zastosowanie przy projektowaniu układów optycznej komunikacji satelitarnej jak i przyszłych misji do dalekiej przestrzeni kosmicznej poza orbitę Księżyca. Zwłaszcza w tym ostatnim przypadku efekty kwantowe mogą odgrywać dużą rolę z racji na spodziewaną siłę sygnału rzędu pojedynczego fotonu w impulsie światła z racji na dużą odległość od Ziemi.