عادة ، يتم "كتابة" المعلومات على الزخم الزاوي المغزلي للفوتون في أنظمة الاتصالات الكمومية. في هذا السيناريو ، تقوم الفوتونات إما بالدوران الدائري الأيمن أو الأيسر أو تتحد لإنتاج ثنائي الأبعاد و qubit، تراكب كمي للاثنين. يمكن أيضًا تخزين المعلومات على الزخم الزاوي المداري للفوتون ، حيث يأخذ ضوء مسار المفتاح أثناء تقدمه بينما يدور كل فوتون حول مركز الحزمة.
تنشر Qubits و qudits المعلومات المخزنة في الفوتونات من نقطة إلى أخرى. يتمثل الاختلاف الرئيسي في أن الكودات يمكن أن تحمل معلومات أكثر بكثير على نفس المسافة مقارنة بالكيوبتات ، مما يوفر الأساس لشحن الجيل التالي من التوربو التواصل الكمي.
في دراسة جديدة ، قام علماء الكم في معهد ستيفنز للتكنولوجيا أظهروا طريقة لترميز المزيد من المعلومات في فوتون واحد ، وفتح الباب أمام أدوات اتصال كمومية أسرع وأكثر قوة. كما تُظهر أيضًا أنه بإمكانهم إنشاء وحدات طيران فردية أو فوتونات "ملتوية" والتحكم فيها عند الطلب.
قال Yichen Ma ، طالب دراسات عليا في مختبر Strauf's NanoPhotonics ، عادة ، الزخم الزاوي المغزلي والزخم الزاوي المداري هما خواص مستقلة للفوتون. يعد جهازنا هو أول جهاز أظهر التحكم المتزامن في كلتا الخاصيتين من خلال الاقتران المتحكم فيه بين الاثنين. لقد أظهرنا أنه يمكننا القيام بذلك باستخدام فوتونات مفردة بدلاً من حزم الضوء التقليدية ، وهو مطلب أساسي لأي تطبيق اتصالات كمومية ".
"إن ترميز المعلومات في الزخم الزاوي المداري يزيد بشكل جذري من المعلومات التي يمكن نقلها. يمكن أن تؤدي الاستفادة من الفوتونات "الملتوية" إلى تعزيز عرض النطاق الترددي لأدوات الاتصال الكمي ، مما يمكنها من نقل البيانات بسرعة أكبر بكثير ".
استخدم العلماء فيلمًا سميكًا للذرة من ثنائي سيلينيد التنجستن لإنشاء فوتونات ملتوية لإنشاء باعث كمي قادر على إصدار فوتونات مفردة. بعد ذلك ، قاموا بربط الباعث الكمي في مساحة عاكسة داخليًا على شكل دونات تسمى الرنان الدائري. من خلال ضبط ترتيب الباعث والرنان على شكل تروس ، من الممكن الاستفادة من التفاعل بين لف الفوتون وزخمه الزاوي المداري لإنشاء فوتونات "ملتوية" فردية عند الطلب.
يعتمد مفتاح تمكين وظيفة قفل الزخم الدوراني هذه على الزخرفة على شكل تروس للرنان الحلقي ، والتي ، عند تصميمها بعناية في التصميم ، تخلق شعاع دوامة ملتوي من الضوء الذي يطلقه الجهاز في سرعة الضوء.
من خلال دمج هذه الإمكانات في شريحة ميكروية واحدة يبلغ عرضها 20 ميكرونًا فقط - حوالي ربع عرض a شعر الانسان - أنشأ الفريق باعثًا ملتويًا للفوتون قادرًا على التفاعل مع المكونات المعيارية الأخرى كجزء من نظام الاتصالات الكمومية.
Ma محمد, "لا تزال هناك بعض التحديات الرئيسية. بينما يمكن لتقنية الفريق التحكم في الاتجاه الذي يكون فيه الفوتون الحلزوني - في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة - هناك حاجة إلى مزيد من العمل للتحكم في رقم وضع الزخم الزاوي المداري الدقيق. هذه القدرة الحرجة ستمكّن من "كتابة" نطاق غير محدود نظريًا من القيم المختلفة واستخراجها لاحقًا من فوتون واحد. تُظهر التجارب الأخيرة في مختبر الفوتونات النانوية في ستروف نتائج واعدة بإمكانية التغلب على هذه المشكلة قريبًا ".
"هناك حاجة أيضًا إلى مزيد من العمل لإنشاء جهاز يمكنه إنشاء فوتونات ملتوية بخصائص كمومية متسقة بشكل صارم ، أي فوتونات لا يمكن تمييزها - وهو مطلب رئيسي لتمكين الإنترنت الكم. تؤثر مثل هذه التحديات على كل من يعمل في مجال الضوئيات الكمومية وقد تتطلب اختراقات في علوم المواد لحلها ".
"الكثير من التحديات تنتظرنا. لكننا أظهرنا إمكانية إنشاء مصادر ضوء كمومية أكثر تنوعًا من أي شيء كان ممكنًا في السابق ".
المرجع مجلة:
- Yichen Ma et al. ، قفل مدار الدوران على الرقاقة لبواعث الكم في مواد ثنائية الأبعاد للانبعاثات اللولبية ، بصريات (2022). معرف الهوية الرقمي: 10.1364 / OPTICA.463481
