Leakage strutturata nei qubit codificati con OAM rivelata mediante l’estrazione distribuita di caratteristiche quantistiche

Abstract degli autori

I modi del momento angolare orbitale (OAM) sono emersi come una piattaforma importante per la comunicazione quantistica ad alta dimensionalità, ma restano vulnerabili al rumore ambientale e alle imperfezioni dei canali. Qui introduciamo una rappresentazione a qubit logico della propagazione dell’OAM, in cui i modi evolvono come qubit attraverso canali quantistici rumorosi. In questa rappresentazione, la turbolenza si manifesta come leakage dal sottospazio logico dell’OAM verso componenti di leakage indotte dalla turbolenza, fornendo una descrizione unificata del degrado sia nel regime a singolo fotone sia in quello a fascio coerente. Mostriamo che il leakage indotto dalla turbolenza dipende sistematicamente dall’intensità della turbolenza e dall’ordine OAM, rivelando tracce strutturate della ridistribuzione dell’informazione al di fuori del sottospazio logico. Sfruttando questa intuizione, sviluppiamo uno schema distribuito di estrazione di caratteristiche quantistiche che codifica gli stati OAM ad alta dimensionalità in rappresentazioni quantistiche e impiega operazioni convoluzionali quantistiche per estrarre caratteristiche robuste alla turbolenza. Le simulazioni e le misurazioni sperimentali dimostrano l’estrazione robusta di queste caratteristiche in un ampio intervallo di intensità della turbolenza, ordini OAM e condizioni di propagazione. I nostri risultati stabiliscono un legame diretto tra la dinamica dei canali OAM, il leakage strutturato e l’apprendimento quantistico, fornendo un quadro basato sulla fisica per caratterizzare gli stati ottici ad alta dimensionalità degradati dalla turbolenza ed estrarre tracce robuste della ridistribuzione dell’informazione indotta dalla turbolenza.