Παρά την ταχεία ανάπτυξη των φωτονικών συσκευών και συστημάτων, οι τεχνολογίες πληροφοριών on-chip περιορίζονται κυρίως σε συστήματα δύο επιπέδων λόγω της έλλειψης επαρκούς δυνατότητας αναδιαμόρφωσης για την ικανοποίηση της αυστηρής απαίτησης. Ακόμη και με εκτεταμένες προσπάθειες αφιερωμένες στα πρόσφατα αναδυόμενα διανυσματικά λέιζερ και μικροκοιλότητες για την επέκταση των διαστάσεων, παραμένει μια πρόκληση να συντονίσουμε ενεργά τις διαφοροποιημένες, υψηλών διαστάσεων καταστάσεις υπέρθεσης φωτός κατά παραγγελία.
Επιστήμονες από το Penn Η Engineering έχει δημιουργήσει ένα υπερδιάστατο τσιπ μικρολέιζερ περιστροφικής τροχιάς που ξεπερνά την ασφάλεια και την ευρωστία των υπαρχόντων κβαντικές επικοινωνίες σκεύη, εξαρτήματα. Το σύστημά τους χρησιμοποιεί «qudits» για επικοινωνία, διπλασιάζοντας τον κβαντικό χώρο πληροφοριών των προηγούμενων λέιζερ στο τσιπ.
Προηγμένη χρήση κβαντικών συσκευών qubits, μονάδες ψηφιακής πληροφορίας ικανές να είναι ταυτόχρονα 1 και 0. Στην κβαντική μηχανική, αυτή η κατάσταση ταυτόχρονης ονομασίας «υπέρθεση». Ένα κβαντικό bit σε κατάσταση υπέρθεσης μεγαλύτερης από δύο επίπεδα ονομάζεται qudit για να σηματοδοτήσει αυτές τις πρόσθετες διαστάσεις.
Η νέα συσκευή χρησιμοποιεί qudit τεσσάρων επιπέδων που επιτρέπουν σημαντικές προόδους κβαντική κρυπτογραφία. Επιπλέον, η συσκευή προσφέρει τέσσερα επίπεδα υπέρθεσης και ανοίγει την πόρτα σε περαιτέρω αυξήσεις διαστάσεων.
Ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης της Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών (MSE) Zhifeng Zhang είπε, «Η μεγαλύτερη πρόκληση ήταν η πολυπλοκότητα και η μη επεκτασιμότητα της τυπικής εγκατάστασης. Γνωρίζαμε ήδη πώς να δημιουργήσουμε αυτά τα συστήματα τεσσάρων επιπέδων, αλλά χρειαζόταν ένα εργαστήριο και πολλά διαφορετικά οπτικά εργαλεία για τον έλεγχο όλων των παραμέτρων που σχετίζονται με την αύξηση της διάστασης. Στόχος μας ήταν να το πετύχουμε με ένα μόνο τσιπ. Και αυτό ακριβώς κάναμε».
Το υπερδιάστατο μικρολέιζερ περιστροφικής τροχιάς προωθεί την προηγούμενη εργασία της ομάδας με μικρολέιζερ στροβιλισμού, τα οποία ρυθμίζουν με ευαισθησία την τροχιακή γωνιακή ορμή των φωτονίων (OAM). Η πρόσφατη συσκευή προσθέτει τον έλεγχο του φωτονικού σπιν στις δυνατότητες του προηγούμενου λέιζερ.
Αυτό το πρόσθετο επίπεδο ελέγχου - η δυνατότητα χειρισμού και σύζευξης OAM και spin - είναι η σημαντική ανακάλυψη που τους επέτρεψε να επιτύχουν ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων.
Το κύριο πειραματικό επίτευγμα της δουλειάς της ομάδας είναι ο ταυτόχρονος έλεγχος όλων των παραμέτρων που εμπόδιζαν τη δημιουργία qudit σε ολοκληρωμένη φωτονική.
ESE Ph.D. Ο μαθητής Haoqi Zhao είπε, «Σκεφτείτε τις κβαντικές καταστάσεις των φωτονίων μας ως δύο πλανήτες στοιβαγμένοι ο ένας πάνω στον άλλο. Πριν, είχαμε πληροφορίες μόνο για τα γεωγραφικά πλάτη αυτών των πλανητών. Με αυτό, θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε το πολύ δύο επίπεδα προσθήκη. Δεν είχαμε αρκετές πληροφορίες για να τα στοιβάξουμε στα τέσσερα. Τώρα, έχουμε και γεωγραφικό μήκος. Αυτές είναι οι πληροφορίες που χρειαζόμαστε για να χειριστούμε τα φωτόνια με συζευγμένο τρόπο και να επιτύχουμε αύξηση διαστάσεων. Συντονίζουμε το καθένα περιστροφή του πλανήτη και περιστρέφονται και κρατούν τους δύο πλανήτες σε στρατηγική σχέση μεταξύ τους».
Liang Feng, Καθηγητής στα Τμήματα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών (MSE), είπε, «Υπάρχει μεγάλη ανησυχία ότι η μαθηματική κρυπτογράφηση, ανεξάρτητα από το πόσο περίπλοκη είναι, θα γίνεται όλο και λιγότερο αποτελεσματική επειδή προοδεύουμε τόσο γρήγορα στις τεχνολογίες υπολογιστών. Η εξάρτηση της κβαντικής επικοινωνίας σε φυσικά και όχι μαθηματικά εμπόδια την καθιστά ανοσία σε αυτές τις μελλοντικές απειλές. Είναι πιο σημαντικό από ποτέ να συνεχίσουμε να αναπτύσσουμε και να τελειοποιούμε τις κβαντικές τεχνολογίες επικοινωνίας».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Zhang, Ζ., Zhao, Η., Wu, S. et αϊ. Spin-orbit microlaser που εκπέμπει σε τετραδιάστατο χώρο Hilbert. Φύση (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
