Üblicherweise werden in Quantenkommunikationssystemen Informationen auf den Spindrehimpuls eines Photons „geschrieben“. In diesem Szenario machen Photonen entweder eine rechts- oder linkskreisförmige Rotation oder kombinieren sich, um ein Zweidimensionales zu erzeugen Qubit, eine Quantenüberlagerung der beiden. Informationen können auch über den Bahndrehimpuls eines Photons gespeichert werden, den der Korkenzieherweg des Lichts nimmt, während es fortschreitet, während jedes Photon das Zentrum des Strahls umkreist.
Qubits und Qudits verbreiten in Photonen gespeicherte Informationen von einem Punkt zum anderen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Qudits viel mehr Informationen über die gleiche Entfernung transportieren können als Qubits, was die Grundlage für die Turboaufladung der nächsten Generation bildet Quantenkommunikation.
In einer neuen Studie haben Quantenwissenschaftler bei Stevens Institut für Technologie haben eine Methode demonstriert, um mehr Informationen in ein einzelnes Photon zu kodieren und damit die Tür zu noch schnelleren und leistungsfähigeren Quantenkommunikationswerkzeugen zu öffnen. Sie zeigen auch, dass sie bei Bedarf einzelne fliegende Qudits oder „verdrehte“ Photonen erstellen und steuern können.
Yichen Ma, ein Doktorand im NanoPhotonics Lab von Strauf, sagte: „Normalerweise sind der Spindrehimpuls und der Bahndrehimpuls unabhängige Eigenschaften eines Photons. Unser Gerät ist das erste, das die gleichzeitige Steuerung beider Eigenschaften über die kontrollierte Kopplung zwischen den beiden demonstriert. Es ist eine große Sache, dass wir gezeigt haben, dass wir dies mit einzelnen Photonen statt mit klassischen Lichtstrahlen tun können, was die Grundvoraussetzung für jede Quantenkommunikationsanwendung ist.“
„Die Codierung von Informationen in den Bahndrehimpuls erhöht die übertragbaren Informationen radikal. Die Nutzung von „twisty“ Photonen könnte die Bandbreite von Quantenkommunikationswerkzeugen erhöhen und es ihnen ermöglichen, Daten viel schneller zu übertragen.“
Wissenschaftler verwendeten einen atomdicken Film aus Wolframdiselenid, um verdrehte Photonen zu erzeugen, um einen Quantenemitter zu schaffen, der einzelne Photonen emittieren kann. Als nächstes koppelten sie den Quantenemitter in einen intern reflektierenden ringförmigen Raum, der als Ringresonator bezeichnet wird. Durch die Feinabstimmung der Anordnung des Emitters und des zahnradförmigen Resonators ist es möglich, die Wechselwirkung zwischen dem Spin des Photons und seinem Bahndrehimpuls zu nutzen, um bei Bedarf einzelne „verdrehte“ Photonen zu erzeugen.
Der Schlüssel zur Ermöglichung dieser Spin-Impuls-Sperrfunktion beruht auf dem zahnradförmigen Muster des Ringresonators, der bei sorgfältiger Konstruktion den wirbelnden Lichtstrahl erzeugt, auf den das Gerät schießt Lichtgeschwindigkeit.
Durch die Integration dieser Fähigkeiten in einen einzigen Mikrochip mit einem Durchmesser von nur 20 Mikrometern – etwa ein Viertel der Breite eines menschliches Haar – Das Team hat einen Twisty-Photonen-Emitter entwickelt, der mit anderen standardisierten Komponenten als Teil eines Quantenkommunikationssystems interagieren kann.
Ma sagte, „Einige zentrale Herausforderungen bleiben bestehen. Während die Technologie des Teams die Richtung steuern kann, in die ein Photon spiralförmig ist – im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn –, ist mehr Arbeit erforderlich, um die genaue Drehimpulsmoduszahl der Umlaufbahn zu steuern. Diese kritische Fähigkeit wird es ermöglichen, eine theoretisch unendliche Bandbreite unterschiedlicher Werte in ein einzelnes Photon zu „schreiben“ und später daraus zu extrahieren. Die neuesten Experimente im Nanophotonics Lab von Strauf zeigen vielversprechende Ergebnisse, dass dieses Problem bald überwunden werden kann.“
„Weitere Arbeit ist auch erforderlich, um ein Gerät zu schaffen, das verdrehte Photonen mit streng konsistenten Quanteneigenschaften erzeugen kann, dh nicht unterscheidbare Photonen – eine Schlüsselvoraussetzung, um dies zu ermöglichen Quanten-Internet. Solche Herausforderungen betreffen alle, die in der Quantenphotonik arbeiten, und könnten Durchbrüche in der Materialwissenschaft erfordern, um sie zu lösen.“
„Viele Herausforderungen liegen vor uns. Aber wir haben das Potenzial für die Schaffung von Quantenlichtquellen gezeigt, die vielseitiger sind als alles, was bisher möglich war.“
Journal Referenz:
- Yichen Ma et al., On-Chip-Spin-Orbit-Verriegelung von Quantenemittern in 2D-Materialien für chirale Emission, Optica (2022). zurück 10.1364/OPTICA.463481
