På trods af den hurtige udvikling af fotoniske enheder og systemer er on-chip informationsteknologier for det meste begrænset til to-niveau systemer på grund af manglen på tilstrækkelig rekonfigurerbarhed til at opfylde de strenge krav. Selv med en omfattende indsats dedikeret til nyligt fremkomne vektorlasere og mikrohulrum for at udvide dimensionaliteter, er det fortsat en udfordring aktivt at indstille de diversificerede, højdimensionelle superpositionstilstande af lys efter behov.
Forskere fra Penn Engineering har skabt en hyperdimensionel, spin-orbit mikrolaserchip, der overgår sikkerheden og robustheden af eksisterende kvantekommunikation hardware. Deres system bruger "qudits" til kommunikation, hvilket fordobler kvanteinformationsrummet fra tidligere on-chip lasere.
Brug af avancerede kvanteenheder qubits, enheder af digital information, der kan være både 1 og 0 samtidigt. I kvantemekanikken kaldes denne tilstand af samtidighed "superposition". En kvantebit i en tilstand af superposition større end to niveauer kaldes en qudit for at signalere disse yderligere dimensioner.
Den nye enhed bruger fire-niveau qudits, der muliggør betydelige fremskridt inden for kvantekryptografi. Desuden tilbyder enheden fire niveauer af superposition og åbner døren for yderligere stigninger i dimension.
Materials Science and Engineering (MSE) postdoktor Zhifeng Zhang sagde, "Den største udfordring var kompleksiteten og ikke-skalerbarheden af standardopsætningen. Vi vidste allerede, hvordan man genererede disse fire-niveau systemer, men det krævede et laboratorium og mange forskellige optiske værktøjer til at kontrollere alle de parametre, der er forbundet med stigningen i dimension. Vores mål var at opnå dette på en enkelt chip. Og det er præcis, hvad vi gjorde.”
Den hyperdimensionelle spin-orbit mikrolaser fremmer gruppens tidligere arbejde med vortex mikrolasere, som følsomt regulerer fotonernes orbitale vinkelmomentum (OAM). Den seneste enhed tilføjer kontrol over fotonisk spin til den foregående lasers muligheder.
Dette ekstra niveau af kontrol - at være i stand til at manipulere og koble OAM og spin - er det gennembrud, der gjorde det muligt for dem at opnå et fire-niveau system.
Den vigtigste eksperimentelle præstation af holdets arbejde er den samtidige kontrol af alle de parametre, der havde forhindret qudit-oprettelse i integreret fotonik.
ESE Ph.D. studerende Haoqi Zhao sagde, "Tænk på kvantetilstandene for vores fotoner som to planeter stablet oven på hinanden. Før havde vi kun information om disse planeters breddegrader. Med det kunne vi maksimalt oprette to niveauer af superposition. Vi havde ikke nok information til at stable dem i fire. Nu har vi også længdegrad. Dette er den information, vi har brug for for at manipulere fotoner på en koblet måde og opnå dimensionel stigning. Vi koordinerer hver planetens rotation og spin og hold de to planeter i strategisk forhold til hinanden."
Liang Feng, professor ved Institut for Materialevidenskab og Engineering (MSE), sagde, "Der er stor bekymring for, at matematisk kryptering, uanset hvor kompleks den er, vil blive mindre og mindre effektiv, fordi vi går så hurtigt videre inden for computerteknologier. Kvantekommunikations afhængighed af fysiske snarere end matematiske barrierer gør den immun over for disse fremtidige trusler. Det er vigtigere end nogensinde, at vi fortsætter med at udvikle og forfine kvantekommunikationsteknologier."
Journal Reference:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Spin-orbit mikrolaser, der udsender i et firedimensionalt Hilbert-rum. Natur (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
