Trotz der rasanten Entwicklung photonischer Geräte und Systeme sind On-Chip-Informationstechnologien meist auf zweistufige Systeme beschränkt, da keine ausreichende Rekonfigurierbarkeit zur Erfüllung der strengen Anforderungen besteht. Trotz umfangreicher Bemühungen zur Erweiterung der Dimensionalitäten mit kürzlich entwickelten Vektorlasern und Mikrokavitäten bleibt es eine Herausforderung, die vielfältigen, hochdimensionalen Überlagerungszustände des Lichts bei Bedarf aktiv abzustimmen.
Wissenschaftler aus Penn Die Ingenieure haben einen hyperdimensionalen Spin-Orbit-Mikrolaserchip entwickelt, der an Sicherheit und Robustheit bisherige übertrifft Quantenkommunikation Hardware. Ihr System nutzt „Qudits“ zur Kommunikation und verdoppelt so den Quanteninformationsraum früherer On-Chip-Laser.
Verwendung fortschrittlicher Quantengeräte Qubits, Einheiten digitaler Information, die gleichzeitig 1 und 0 sein können. In der Quantenmechanik wird dieser Zustand der Gleichzeitigkeit „Superposition“ genannt. Ein Quantenbit in einem Überlagerungszustand von mehr als zwei Ebenen wird Qudit genannt, um diese zusätzlichen Dimensionen zu signalisieren.
Das neue Gerät verwendet vierstufige Qudits, die erhebliche Fortschritte ermöglichen Quantenkryptographie. Darüber hinaus bietet das Gerät vier Überlagerungsebenen und öffnet die Tür für weitere Dimensionsvergrößerungen.
Zhifeng Zhang, Postdoktorand für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen (MSE), sagte: „Die größte Herausforderung war die Komplexität und Nichtskalierbarkeit des Standard-Setups. Wir wussten bereits, wie man diese Vier-Ebenen-Systeme erzeugt, aber es erforderte ein Labor und viele verschiedene optische Werkzeuge, um alle mit der Dimensionsvergrößerung verbundenen Parameter zu kontrollieren. Unser Ziel war es, dies auf einem einzigen Chip zu erreichen. Und genau das haben wir getan.“
Der hyperdimensionale Spin-Orbit-Mikrolaser erweitert die bisherige Arbeit der Gruppe mit Vortex-Mikrolasern, die den Bahndrehimpuls (OAM) von Photonen empfindlich regulieren. Das neue Gerät erweitert die Fähigkeiten des Vorgängerlasers um die Kontrolle über den photonischen Spin.
Diese zusätzliche Kontrollebene – die Möglichkeit, OAM und Spin zu manipulieren und zu koppeln – ist der Durchbruch, der es ihnen ermöglichte, ein vierstufiges System zu erreichen.
Die wichtigste experimentelle Errungenschaft der Arbeit des Teams ist die gleichzeitige Kontrolle aller Parameter, die die Entstehung von Qudit in der integrierten Photonik verhindert haben.
ESE Ph.D. Student Haoqi Zhao sagte: „Stellen Sie sich die Quantenzustände unserer Photonen als zwei übereinander gestapelte Planeten vor. Bisher hatten wir nur Informationen über die Breitengrade dieser Planeten. Damit könnten wir maximal zwei Ebenen erstellen Überlagerung. Wir hatten nicht genügend Informationen, um sie in vier Teile zu stapeln. Jetzt haben wir auch den Längengrad. Dies sind die Informationen, die wir benötigen, um Photonen auf gekoppelte Weise zu manipulieren und eine Dimensionsvergrößerung zu erreichen. Wir koordinieren jeden Rotation des Planeten und die beiden Planeten drehen und in strategischer Beziehung zueinander halten.“
Liang Feng, Professor in den Abteilungen für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE), sagte, „Es besteht große Sorge, dass die mathematische Verschlüsselung, egal wie komplex sie auch sein mag, immer weniger effektiv wird, weil wir in der Computertechnologie so schnell Fortschritte machen. Die Abhängigkeit der Quantenkommunikation von physikalischen und nicht von mathematischen Barrieren macht sie immun gegen diese zukünftigen Bedrohungen. Es ist wichtiger denn je, dass wir Quantenkommunikationstechnologien weiterentwickeln und verfeinern.“
Journal Referenz:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Spin-Orbit-Mikrolaser, der in einem vierdimensionalen Hilbert-Raum emittiert. Natur (2022). zurück 10.1038 / s41586-022-05339-z
