Συνήθως, οι πληροφορίες «γράφονται» στη γωνιακή ορμή σπιν ενός φωτονίου στα κβαντικά συστήματα επικοινωνίας. Σε αυτό το σενάριο, τα φωτόνια είτε κάνουν μια δεξιά ή αριστερή κυκλική περιστροφή είτε συνδυάζονται για να δημιουργήσουν μια δισδιάστατη qubit, μια κβαντική υπέρθεση των δύο. Οι πληροφορίες μπορούν επίσης να αποθηκευτούν στην τροχιακή γωνιακή ορμή ενός φωτονίου, το φως της διαδρομής του τιρμπουσόν λαμβάνει καθώς προχωρά ενώ κάθε φωτόνιο κάνει κύκλους στο κέντρο της δέσμης.
Τα qubits και τα qudits διαδίδουν πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες σε φωτόνια από το ένα σημείο στο άλλο. Η κύρια διαφορά είναι ότι τα qudits μπορούν να μεταφέρουν πολύ περισσότερες πληροφορίες στην ίδια απόσταση από τα qubits, παρέχοντας τη βάση για υπερτροφοδότηση επόμενης γενιάς κβαντική επικοινωνία.
Σε μια νέα μελέτη, οι κβαντικοί επιστήμονες στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο Stevens έχουν επιδείξει μια μέθοδο για την κωδικοποίηση περισσότερων πληροφοριών σε ένα μόνο φωτόνιο, ανοίγοντας την πόρτα σε ακόμα πιο γρήγορα και πιο ισχυρά εργαλεία κβαντικής επικοινωνίας. Δείχνουν επίσης ότι μπορούν να δημιουργήσουν και να ελέγξουν μεμονωμένα ιπτάμενα qudit, ή «στριφτά» φωτόνια, κατόπιν ζήτησης.
Ο Yichen Ma, μεταπτυχιακός φοιτητής στο NanoPhotonics Lab του Strauf, είπε: «Κανονικά, η γωνιακή ορμή σπιν και η τροχιακή γωνιακή ορμή είναι ανεξάρτητες ιδιότητες ενός φωτονίου. Η συσκευή μας είναι η πρώτη που επιδεικνύει ταυτόχρονο έλεγχο και των δύο ιδιοτήτων μέσω της ελεγχόμενης σύζευξης μεταξύ των δύο. Είναι μια μεγάλη υπόθεση που έχουμε δείξει ότι μπορούμε να το κάνουμε αυτό με μεμονωμένα φωτόνια και όχι με κλασσικές δοκούς φωτός, που είναι η βασική απαίτηση για οποιαδήποτε εφαρμογή κβαντικής επικοινωνίας. "
«Η κωδικοποίηση πληροφοριών σε τροχιακή γωνιακή ορμή αυξάνει ριζικά τις πληροφορίες που μπορούν να μεταδοθούν. Η αξιοποίηση «στριφτών» φωτονίων θα μπορούσε να ενισχύσει το εύρος ζώνης των εργαλείων κβαντικής επικοινωνίας, επιτρέποντάς τους να μεταδίδουν δεδομένα πολύ πιο γρήγορα».
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια μεμβράνη από δισελενίδιο βολφραμίου πάχους ατόμου για να δημιουργήσουν στριμμένα φωτόνια για να δημιουργήσουν έναν κβαντικό πομπό ικανό να εκπέμπει μεμονωμένα φωτόνια. Στη συνέχεια, συνέδεσαν τον κβαντικό εκπομπό σε έναν εσωτερικά ανακλαστικό χώρο σε σχήμα ντόνατ που ονομάζεται αντηχείο δακτυλίου. Ρυθμίζοντας τη διάταξη του εκπομπού και του συντονιστή σε σχήμα γραναζιού, είναι δυνατό να αξιοποιηθεί η αλληλεπίδραση μεταξύ του σπιν του φωτονίου και της τροχιακής γωνιακής ορμής του για να δημιουργηθούν μεμονωμένα «στριφτά» φωτόνια κατά παραγγελία.
Το κλειδί για την ενεργοποίηση αυτής της λειτουργίας κλειδώματος περιστροφής ορμής βασίζεται στο μοτίβο σε σχήμα γραναζιού του αντηχείου δακτυλίου, το οποίο, όταν σχεδιαστεί προσεκτικά στο σχέδιο, δημιουργεί τη στριφτή δέσμη φωτός που εκτοξεύει η συσκευή στο ταχύτητα του φωτός.
Με την ενσωμάτωση αυτών των δυνατοτήτων σε ένα ενιαίο μικροτσίπ διαμέτρου μόλις 20 μικρομέτρων — περίπου το ένα τέταρτο του πλάτους ενός ανθρώπινες τρίχες -Η ομάδα δημιούργησε έναν εκπομπό Twisty-Photon ικανό να αλληλεπιδρά με άλλα τυποποιημένα εξαρτήματα ως μέρος ενός κβαντικού συστήματος επικοινωνιών.
Ma είπε, «Οι βασικές προκλήσεις παραμένουν. Ενώ η τεχνολογία της ομάδας μπορεί να ελέγξει την κατεύθυνση στην οποία μια σπείρα φωτονίου - δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα - χρειάζεται περισσότερη δουλειά για τον έλεγχο του ακριβούς αριθμού της τροχιακής γωνιακής ορμής. Αυτή η κρίσιμη ικανότητα θα επιτρέψει σε ένα θεωρητικά άπειρο εύρος διαφορετικών τιμών να «γραφεί» και αργότερα να εξαχθεί από ένα μόνο φωτόνιο. Τα τελευταία πειράματα στο εργαστήριο Nanophotonics του Strauf δείχνουν πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα ότι αυτό το πρόβλημα μπορεί σύντομα να ξεπεραστεί».
«Χρειάζεται επίσης περαιτέρω εργασία για τη δημιουργία μιας συσκευής που μπορεί να δημιουργήσει συνεστραμμένα φωτόνια με αυστηρά συνεπείς κβαντικές ιδιότητες, δηλαδή δυσδιάκριτα φωτόνια — μια βασική προϋπόθεση για να ενεργοποιηθεί η κβαντικό Διαδίκτυο. Τέτοιες προκλήσεις επηρεάζουν όλους όσους εργάζονται στην κβαντική φωτονική και θα μπορούσαν να απαιτήσουν ανακαλύψεις στην επιστήμη των υλικών για να λυθούν».
«Μπροστά μας υπάρχουν πολλές προκλήσεις. Αλλά δείξαμε τη δυνατότητα δημιουργίας κβαντικών πηγών φωτός που είναι πιο ευέλικτες από οτιδήποτε άλλο ήταν δυνατό».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Yichen Ma et al., On-chip spin-orbit locking των κβαντικών εκπομπών σε δισδιάστατα υλικά για χειρόμορφη εκπομπή, Optica (2022). DOI: 10.1364/optica.463481
