Światło może przenosić nie tylko energię: jak skręcony foton koduje informację kwantową

Skręcony foton może przenosić nie tylko energię i pęd, ale również informację zakodowaną w przestrzennej strukturze jego pola. Kluczową rolę odgrywa tu orbitalny moment pędu światła — OAM, czyli stopień swobody związany z helikalnym kształtem fazy fali. W przeciwieństwie do zwykłego kodowania dwustanowego, na przykład za pomocą polaryzacji poziomej i pionowej, OAM pozwala wykorzystać wiele rozróżnialnych stanów pojedynczego fotonu i tworzyć wysokowymiarowe układy kwantowe –  informuje redakcja TopFlop.

Nie oznacza to, że jeden foton staje się miniaturowym dyskiem zawierającym dowolnie dużo danych. Informację kwantową trzeba przygotować, przesłać i poprawnie zmierzyć, a każdy z tych etapów wprowadza ograniczenia. Mimo to badania prowadzone od początku lat 90. pokazały, że „skręcenie” czoła fali jest realną własnością światła, a eksperymenty z ostatnich lat wykorzystują je do tworzenia quditów, splątania wysokowymiarowego i nowych protokołów komunikacji kwantowej. W 2026 roku osobne przeglądy naukowe analizują już nie tylko eksperymenty w wolnej przestrzeni, ale również praktyczną transmisję stanów OAM przez światłowody.

Foton przenosi energię, pęd i dwa rodzaje momentu pędu

Foton najczęściej przedstawia się jako kwant promieniowania elektromagnetycznego o energii zależnej od częstotliwości. To jednak nie wyczerpuje jego własności. Światło przenosi także pęd liniowy oraz moment pędu. W optyce rozróżnia się jego część spinową, kojarzoną przede wszystkim z polaryzacją, oraz część orbitalną, wynikającą z przestrzennej struktury pola elektromagnetycznego. Kluczowe rozróżnienie polega więc na tym, że polaryzacja opisuje inną własność światła niż przestrzenne „skręcenie” jego fazy.

W 1992 roku Les Allen, Marco Beijersbergen, Robert Spreeuw i J. P. Woerdman opublikowali w „Physical Review A” pracę, która stała się jednym z fundamentów współczesnych badań OAM światła. Autorzy wykazali, że wiązki Laguerre’a-Gaussa mogą mieć dobrze określony orbitalny moment pędu.

„Laser light with a Laguerre-Gaussian amplitude distribution is found to have a well-defined orbital angular momentum.”
— L. Allen i współautorzy, „Physical Review A”, 1992.

Dla takich modów pojedynczy foton może nieść orbitalny moment pędu równy (l\hbar), gdzie (l) jest całkowitą liczbą zwaną indeksem azymutalnym, a (\hbar) — zredukowaną stałą Plancka. Wartość (l) może być dodatnia, ujemna albo równa zero. Znak określa orientację helisy fazowej, natomiast wartość bezwzględna mówi, ile razy faza zmienia się o pełne (2\pi) podczas jednego obiegu wokół osi wiązki.

Właśnie dlatego w literaturze mówi się o „twisted light” albo „twisted photons” — skręconym świetle i skręconych fotonach.

Jeżeli wcześniej interesowała Cię klasyczna falowa natura światła, dobrym punktem odniesienia jest wyjaśnienie, dlaczego płyta CD działa jak siatka dyfrakcyjna i rozdziela światło na barwy. Tam struktura powierzchni zmienia kierunki interferencji światła; w przypadku OAM kluczowa jest przestrzenna struktura fazy samej wiązki.

Co właściwie oznacza „skręcony” foton

Nie należy wyobrażać sobie fotonu jako małej kulki mechanicznie obracającej się wokół własnej osi. Określenie „skręcony” opisuje strukturę jego stanu przestrzennego. Faza pola wokół osi propagacji może tworzyć helisę, a w centrum takiej wiązki pojawia się osobliwość fazowa. Dla klasycznej wiązki OAM typowym obrazem intensywności jest pierścień z ciemnym środkiem, ponieważ na osi faza nie jest dobrze określona i natężenie spada do zera.

Matematycznie istotny jest czynnik fazowy zależny od kąta azymutalnego. To właśnie on powoduje, że przejście wokół osi wiązki wiąże się ze zmianą fazy o wielokrotność (2\pi).

Im większa bezwzględna wartość indeksu (l), tym szybciej faza „owija się” wokół osi.

W 2007 roku autorzy przeglądu w „Nature Physics” podsumowali znaczenie tego stopnia swobody bardzo jednoznacznie:

„The orbital angular momentum of light represents a fundamentally new optical degree of freedom.”
— Gabriel Molina-Terriza, Juan P. Torres i Lluis Torner, „Nature Physics”.

To nie jest wyłącznie matematyczna ciekawostka. Jeśli różne wartości (l) można przygotować i później niezawodnie rozróżnić, mogą one pełnić funkcję symboli używanych do kodowania informacji.

Polaryzacja i OAM to nie to samo

Najprostszy system kwantowy używany w fotonice ma dwa stany. Można na przykład wykorzystać dwie ortogonalne polaryzacje i przypisać im dwa stany bazowe.

OAM oferuje znacznie więcej możliwości.

Własność fotonu	Typowe stany	Zastosowanie informacyjne
Polaryzacja	np. pozioma/pionowa	qubit
Droga optyczna	tor A/tor B	qubit lub qudit
Czas przybycia	różne okna czasowe	time-bin encoding
Częstotliwość	różne mody widmowe	kodowanie częstotliwościowe
Orbitalny moment pędu	(l = …,-2,-1,0,1,2,…)	wysokowymiarowy qudit

Własności te mogą być również łączone. Badania wykorzystują na przykład jednocześnie polaryzację i OAM albo ścieżkę propagacji i OAM, tworząc bardziej złożone przestrzenie Hilberta.

Jak skręcony foton zapisuje informację kwantową

W klasycznym bicie mamy dwa rozróżnialne stany: 0 i 1. W qubicie również wybiera się dwa stany bazowe, ale mechanika kwantowa dopuszcza ich superpozycje. Informacja kwantowa nie musi jednak ograniczać się do dwóch poziomów.

Jeżeli układ posiada (d) rozróżnialnych stanów bazowych, mówi się o qudicie o wymiarze (d).

Przykładowo można wybrać cztery wartości OAM:

• (l=-2),
• (l=-1),
• (l=1),
• (l=2).

Tworzą one czterowymiarową przestrzeń stanów. W idealnym układzie pojedynczy foton może zostać przygotowany w jednym z tych stanów albo w ich superpozycji.

Autorzy dużego przeglądu opublikowanego w „Light: Science & Applications” zwracali uwagę, że OAM pojedynczych fotonów naturalnie prowadzi do wysokowymiarowych systemów kwantowych.

„Twisted photons can be used as alphabets to encode information beyond one bit per single photon.”
— Manuel Erhard, Robert Fickler, Mario Krenn i Anton Zeilinger.

Słowo „alfabet” jest tu szczególnie trafne. Zwykły bit przypomina alfabet mający tylko dwa symbole. Jeśli wykorzystujemy więcej ortogonalnych stanów OAM, alfabet staje się większy.

W klasycznym sensie system o (d) rozróżnialnych symbolach może reprezentować do (\log_2 d) bitów na symbol. Dla czterech stanów są to 2 bity, dla ośmiu — 3 bity. W systemach kwantowych rzeczywista ilość bezpiecznie przekazywanej informacji zależy jednak od protokołu, błędów, użytych baz pomiarowych, strat oraz sposobu detekcji.

Dlatego hasło „jeden foton przenosi nieskończenie dużo informacji” byłoby błędne. Matematyczna przestrzeń OAM jest w zasadzie nieograniczona, ale praktyczny nadajnik, kanał i detektor obsługują skończoną liczbę modów.

Qubit kontra qudit: dlaczego większy wymiar ma znaczenie

Wysokowymiarowe kodowanie jest badane przede wszystkim dlatego, że pozwala zwiększyć liczbę dostępnych stanów bez konieczności zwiększania liczby fizycznych cząstek w ten sam sposób, jak robi się to w układzie czysto dwustanowym. Może to zwiększyć efektywność informacyjną fotonicznego kanału i w określonych protokołach poprawić tolerancję na błędy.

Przegląd opublikowany w maju 2026 roku w „ICT Express” wskazuje OAM jako skalowalną bazę do wysokowymiarowego kodowania w kwantowej dystrybucji klucza. Autorzy zwracają jednak uwagę, że praktyczne systemy są nadal ograniczane przez generowanie stanów, transmisję oraz detekcję.

Eksperymentalne protokoły są już realizowane. W 2024 roku badacze z Beijing University of Posts and Telecommunications opisali w „Journal of the Optical Society of America B” wysokowymiarowy system QKD łączący polaryzację i orbitalny moment pędu.

„The high-dimensional quantum key distribution protocol improves the encoding efficiency.”
— Zhongqi Sun, Yue Li i Haiqiang Ma, Optica Publishing Group, 2024.

Nie oznacza to jeszcze, że OAM zastąpi standardowe systemy światłowodowe. To raczej dodatkowy stopień swobody, który może być używany obok polaryzacji, częstotliwości, czasu przybycia i innych metod kodowania.

Splątane skręcone fotony tworzą znacznie większą przestrzeń stanów

Orbitalny moment pędu można wykorzystać nie tylko do przygotowywania pojedynczych stanów. Można również tworzyć pary fotonów splątanych w OAM.

Jednym z przełomowych eksperymentów była praca Aloisa Maira, Alipashy Vaziriego, Gregora Weihsa i Antona Zeilingera opublikowana w „Nature” w 2001 roku. Naukowcy zademonstrowali splątanie orbitalnych momentów pędu fotonów, pokazując, że zjawisko nie musi być ograniczone do dwóch stanów polaryzacyjnych.

Dalsze eksperymenty poszły krok dalej. W 2014 roku zespół Roberta Ficklera i Antona Zeilingera opisał w „Nature Communications” interfejs pomiędzy splątaniem ścieżek na układzie fotonicznym a wysokowymiarowym splątaniem OAM. W eksperymencie utworzono trójwymiarowe splątanie ścieżek i przeniesiono je do stopnia swobody związanego z orbitalnym momentem pędu.

Ma to znaczenie dla przyszłych sieci kwantowych: informacja może być przetwarzana w jednej reprezentacji na chipie, a następnie przenoszona do innego stopnia swobody wygodniejszego podczas transmisji.

Warto przy tym odróżniać generowanie odpowiedniego stanu od samego źródła fotonów. Niedawny polski udział w badaniach nad materiałami ZnPS₃ pokazuje inny element tego samego ekosystemu: badacze uzyskali emitery pojedynczych fotonów w warstwowym krysztale ZnPS₃. Sam emiter nie tworzy automatycznie fotonu o wybranym OAM, ale kontrolowane źródła pojedynczych fotonów są jednym z podstawowych elementów przyszłych układów fotoniki kwantowej.

Jak fizycznie „skręca się” światło

W laboratorium stan OAM można przygotować na kilka sposobów. Stosuje się między innymi przestrzenne modulatory światła, hologramy, specjalne płytki fazowe, metasurfaces oraz elementy określane jako q-plates. Ich zadaniem jest odpowiednia modyfikacja przestrzennej fazy światła.

Typowa procedura może wyglądać następująco:

1. Źródło generuje foton lub bardzo słabą wiązkę.
2. Element optyczny nadaje jej określoną przestrzenną fazę.
3. Powstaje konkretny mod OAM.
4. Foton przechodzi przez kanał transmisyjny.
5. Odbiornik rozdziela mody według wartości OAM.
6. Detektor rejestruje wynik pomiaru.

Najtrudniejszy nie jest sam pomysł kodowania, lecz zachowanie rozróżnialności modów przez cały tor optyczny.

Stan przygotowany idealnie przy nadajniku może zostać częściowo przekształcony przez turbulencje, niedoskonałość włókna, zgięcie światłowodu albo aberracje układu optycznego.

Największy problem: atmosfera i światłowód mieszają mody

OAM wygląda szczególnie atrakcyjnie w wolnej przestrzeni, ale atmosfera nie jest idealnym kanałem. Zmiany temperatury i gęstości powietrza powodują fluktuacje współczynnika załamania. W rezultacie czoło fali zostaje zniekształcone, a część energii może przechodzić pomiędzy różnymi modami przestrzennymi.

W światłowodzie problem ma inną naturę. Zgięcia, niedoskonałości geometryczne, naprężenia, dyspersja i sprzęganie modów mogą powodować crosstalk — sygnał należący do jednego stanu OAM zaczyna pojawiać się również w innych kanałach.

Przegląd opublikowany w lipcu 2026 roku w czasopiśmie „Newton” wskazuje, że zachowanie takich stanów w światłowodzie jest jednym z głównych problemów praktycznej implementacji. Wśród badanych rozwiązań znajdują się specjalne włókna ring-core i air-core projektowane tak, aby ograniczać mieszanie modów.

Problem	Skutek	Badane rozwiązanie
Turbulencje atmosfery	deformacja fazy	optyka adaptacyjna
Crosstalk modów	błędne rozpoznanie OAM	sortery modów
Zginanie włókna	mieszanie stanów	specjalne włókna ring-core
Dyspersja	utrata jakości stanu	kompensacja i projektowanie kanału
Niedoskonałość detekcji	większy błąd	wielomodowe detektory i sortery
Straty optyczne	mniej wykrytych fotonów	wydajniejsze źródła i komponenty

To dlatego komunikacja kwantowa oparta na OAM pozostaje przede wszystkim aktywnym obszarem badań, a nie gotowym następcą standardowych sieci telekomunikacyjnych.

Czy jeden foton może naprawdę przenosić więcej niż jeden bit

Tak — pod warunkiem bardzo precyzyjnego rozumienia tego stwierdzenia.

Jeśli nadajnik i odbiornik korzystają z zestawu większego niż dwa rozróżnialne stany, pojedynczy foton może być nośnikiem symbolu należącego do większego alfabetu. Wysokowymiarowa przestrzeń może więc zwiększać ilość informacji przypadającą na wykryty foton.

Nie oznacza to jednak dowolnie dużej przepustowości.

Ograniczeniami są:

• liczba stabilnie generowanych stanów;
• dokładność ich rozróżniania;
• straty w kanale;
• crosstalk;
• wydajność detektorów;
• błędy pomiarowe;
• wymagania konkretnego protokołu bezpieczeństwa;
• możliwość zachowania koherencji i splątania.

Badacze muszą również mierzyć nie tylko liczbę potencjalnych stanów, ale faktyczną wymiarowość i czystość generowanego stanu. W 2021 roku w „Nature Communications” opisano metodę pozwalającą ilościowo badać te parametry m.in. w bazie orbitalnego momentu pędu.

Dlaczego OAM jest interesujący dla kryptografii kwantowej

W kwantowej dystrybucji klucza bezpieczeństwo nie wynika z tego, że foton jest „skręcony”. Podstawą pozostają prawa mechaniki kwantowej oraz odpowiednio zaprojektowany protokół.

OAM daje jednak możliwość zbudowania większej przestrzeni stanów.

Większy wymiar może:

• zwiększać liczbę bitów przypadających na symbol;
• pozwalać projektować protokoły o innych progach tolerancji błędów;
• tworzyć dodatkowe możliwości kodowania wraz z polaryzacją lub czasem;
• rozszerzać przestrzeń stanów używaną do testowania splątania.

Najnowszy przegląd z 2026 roku dotyczący HD-QKD podkreśla jednocześnie, że realna przewaga systemu zależy od całej architektury. Sam dostęp do wielu wartości OAM nie wystarcza, jeśli wzrasta poziom błędów albo detekcja staje się zbyt mało wydajna.

Szerszy kontekst zastosowań mechaniki kwantowej — od źródeł fotonów po szyfrowanie — został opisany również w materiale o tym, jak technologie kwantowe wychodzą z laboratoriów i trafiają do fotoniki oraz komunikacji.

Czego skręcone fotony jeszcze nie potrafią

Przy opisywaniu OAM łatwo przejść od realnego eksperymentu do technologicznych obietnic, których nauka jeszcze nie potwierdziła.

Obecny stan badań nie pozwala twierdzić, że:

• skręcone fotony zapewniają nieskończoną przepustowość;
• każdy zwykły światłowód może bez problemu przesyłać setki stanów OAM;
• OAM samo w sobie gwarantuje bezpieczną transmisję;
• pojedynczy foton może zostać odczytany wielokrotnie bez zaburzenia jego stanu;
• wysokowymiarowa sieć kwantowa jest już gotowa do masowego wdrożenia.

Najważniejszą przewagą OAM nie jest „magiczne zwiększenie pojemności”, lecz dostęp do dodatkowego, fizycznie rozróżnialnego stopnia swobody światła.

To właśnie ten dodatkowy wymiar można wykorzystać do bardziej złożonego kodowania, splątania i manipulowania stanem fotonu.

Od energii do alfabetu kwantowego

Historia orbitalnego momentu pędu światła dobrze pokazuje, jak zmienia się rozumienie fotonu. W klasycznym ujęciu światło jest falą elektromagnetyczną przenoszącą energię i pęd. W opisie kwantowym pojedynczy foton może jednocześnie mieć częstotliwość, polaryzację, określoną drogę, czas przybycia oraz stan przestrzenny zawierający OAM.

Każdy z tych parametrów może stać się elementem kodowania.

Skręcony foton jest szczególnie interesujący dlatego, że orbitalny moment pędu nie ogranicza się do dwóch wartości. Daje naturalną drogę do budowania wysokowymiarowych stanów, czyli quditów.

Badania od pracy Allena z 1992 roku, przez eksperymenty ze splątaniem OAM, aż po przeglądy systemów światłowodowych z 2026 roku pokazują wyraźny kierunek: fizycy potrafią już tworzyć, manipulować i mierzyć takie stany, ale przed skalowalnymi sieciami pozostają problemy transmisji, stabilności oraz detekcji.

Światło rzeczywiście może więc przenosić znacznie więcej niż samą energię. Jego przestrzenna struktura może działać jak alfabet, a pojedynczy kwant światła — jak nośnik wysokowymiarowej informacji.

Pytania i odpowiedzi

Co to jest skręcony foton?

To foton znajdujący się w przestrzennym stanie światła o helikalnej strukturze fazy i określonym orbitalnym momencie pędu. Określenie „skręcony” nie oznacza mechanicznego obracania się fotonu jak małej kulki.

Co oznacza OAM światła?

OAM to orbital angular momentum, czyli orbitalny moment pędu. Dla modów Laguerre’a-Gaussa pojedynczy foton może mieć wartość (l\hbar), gdzie (l) jest całkowitym indeksem opisującym strukturę fazową.

Czy jeden foton może przenosić więcej niż jeden bit?

Może należeć do alfabetu zawierającego więcej niż dwa rozróżnialne stany i dlatego wysokowymiarowe kodowanie pozwala przekazywać więcej informacji na wykryty foton niż prosty system dwustanowy. Realna wydajność zależy jednak od protokołu oraz poziomu błędów.

Czym qudit różni się od qubitu?

Qubit jest układem dwupoziomowym. Qudit może mieć (d) poziomów, na przykład cztery, osiem lub więcej. Różne wartości orbitalnego momentu pędu mogą służyć jako jego stany bazowe.

Czy OAM wykorzystuje się już w komunikacji kwantowej?

Tak, istnieją laboratoryjne demonstracje transmisji, splątania oraz wysokowymiarowej kwantowej dystrybucji klucza. Nie jest to jednak jeszcze powszechna technologia sieciowa, a szczególnie trudne pozostaje zachowanie wielu modów w realnych światłowodach.

Dlaczego skręcone fotony są trudne do przesyłania?

Ich informacja jest zapisana w strukturze przestrzennej. Turbulencje atmosferyczne, aberracje, niedoskonałości światłowodu, zgięcia oraz sprzęganie modów mogą zmienić tę strukturę i zwiększyć liczbę błędów.

Warto przeczytać także nasz kolejny materiał, w którym szerzej wyjaśniamy podobny temat: Jak działa zmienna przysłona? Optyka aparatu iPhone’a 18 Pro na lekcji fizyki