Normalt bliver information "skrevet" på spin-vinkelmomentet af en foton i kvantekommunikationssystemer. I dette scenarie udfører fotoner enten en højre- eller venstre-cirkulær rotation eller kombinerer for at producere en todimensional qubit, en kvantesuperposition af de to. Information kan også gemmes på en fotons orbitale vinkelmomentum, proptrækkerens banelys tager, mens den bevæger sig frem, mens hver foton kredser om strålens centrum.
Qubits og qudits udbreder information lagret i fotoner fra et punkt til et andet. Den største forskel er, at qudits kan bære meget mere information over den samme afstand end qubits, hvilket giver grundlaget for turboopladning af næste generation kvantekommunikation.
I et nyt studie har kvanteforskere ved Stevens Institute of Technology har demonstreret en metode til at indkode mere information til en enkelt foton, hvilket åbner døren til endnu hurtigere og mere kraftfulde kvantekommunikationsværktøjer. De viser også, at de kan oprette og kontrollere individuelle flyvende qudits, eller "snoede" fotoner, efter behov.
Yichen Ma, en kandidatstuderende i Straufs NanoPhotonics Lab, sagde: "Normalt er spin vinkelmomentum og orbital vinkelmomentum uafhængige egenskaber af en foton. Vores enhed er den første til at demonstrere samtidig kontrol af begge egenskaber via den kontrollerede kobling mellem de to. Det er en stor ting, at vi har vist, at vi kan gøre dette med enkelte fotoner frem for klassiske lysstråler, hvilket er det grundlæggende krav til enhver kvantekommunikationsapplikation."
"Indkodning af information til orbital vinkelmomentum øger radikalt den information, der kan transmitteres. Udnyttelse af "snoede" fotoner kan øge båndbredden af kvantekommunikationsværktøjer, hvilket gør dem i stand til at transmittere data langt hurtigere."
Forskere brugte en atomtyk film af wolframdiselenid til at skabe snoede fotoner for at skabe en kvanteemitter, der er i stand til at udsende enkelte fotoner. Dernæst koblede de kvanteemitteren i et internt reflekterende doughnut-formet rum kaldet en ringresonator. Ved at finjustere arrangementet af emitteren og den tandhjulsformede resonator er det muligt at udnytte interaktionen mellem fotonens spin og dens orbitale vinkelmomentum til at skabe individuelle "snoede" fotoner efter behov.
Nøglen til at aktivere denne spin-momentum-låsende funktionalitet er afhængig af det gearformede mønster af ringresonatoren, som, når den er omhyggeligt konstrueret i designet, skaber den snoede hvirvelstråle af lys, som enheden skyder ud mod lysets hastighed.
Ved at integrere disse egenskaber i en enkelt mikrochip, der kun måler 20 mikrometer på tværs - omkring en fjerdedel af bredden af en menneskehår — holdet har skabt en snoet foton-emitter, der er i stand til at interagere med andre standardiserede komponenter som en del af et kvantekommunikationssystem.
Ma sagde, "Der er nogle vigtige udfordringer tilbage. Mens holdets teknologi kan styre retningen, som en fotonspiral i - med uret eller mod uret - er der behov for mere arbejde for at kontrollere det nøjagtige kredsløbsvinkelmoment-modenummer. Den kritiske evne vil gøre det muligt at "skrive" et teoretisk uendeligt udvalg af forskellige værdier ind i og senere udvinde fra en enkelt foton. De seneste eksperimenter i Straufs Nanophotonics Lab viser lovende resultater, at dette problem snart kan overvindes."
"Yderligere arbejde er også nødvendigt for at skabe en enhed, der kan skabe snoede fotoner med strengt konsistente kvanteegenskaber, dvs. fotoner, der ikke kan skelnes - et nøglekrav for at muliggøre kvanteinternet. Sådanne udfordringer påvirker alle, der arbejder med kvantefotonik og kan kræve gennembrud inden for materialevidenskab at løse."
"Der er masser af udfordringer forude. Men vi har vist potentialet for at skabe kvantelyskilder, der er mere alsidige end noget tidligere muligt."
Journal Reference:
- Yichen Ma et al., On-chip spin-orbit låsning af kvanteemittere i 2D materialer til chiral emission, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
