Por lo general, la información se "escribe" en el momento angular de giro de un fotón en los sistemas de comunicación cuántica. En este escenario, los fotones hacen una rotación circular hacia la derecha o hacia la izquierda o se combinan para producir una imagen bidimensional. quit, una superposición cuántica de los dos. La información también se puede almacenar en el momento angular orbital de un fotón, la luz de la trayectoria del sacacorchos toma a medida que avanza mientras cada fotón rodea el centro del haz.
Los qubits y qudits propagan información almacenada en fotones de un punto a otro. La principal diferencia es que los qudits pueden transportar mucha más información a la misma distancia que los qubits, lo que proporciona la base para la próxima generación de turbocompresores. comunicación cuántica.
En un nuevo estudio, los científicos cuánticos de Instituto de Tecnología de Stevens han demostrado un método para codificar más información en un solo fotón, abriendo la puerta a herramientas de comunicación cuántica aún más rápidas y potentes. También muestran que pueden crear y controlar qudits voladores individuales, o fotones "retorcidos", a pedido.
Yichen Ma, estudiante de posgrado en el laboratorio de nanofotónica de Strauf, dijo: “Normalmente, el momento angular de giro y el momento angular orbital son propiedades independientes de un fotón. Nuestro dispositivo es el primero en demostrar el control simultáneo de ambas propiedades a través del acoplamiento controlado entre los dos. Es un gran problema que hayamos demostrado que podemos hacer esto con fotones individuales en lugar de haces de luz clásicos, que es el requisito básico para cualquier aplicación de comunicación cuántica”.
“Codificar información en momento angular orbital aumenta radicalmente la información que se puede transmitir. Aprovechar los fotones "retorcidos" podría aumentar el ancho de banda de las herramientas de comunicación cuántica, permitiéndoles transmitir datos mucho más rápido".
Los científicos utilizaron una película de diseleniuro de tungsteno del espesor de un átomo para crear fotones retorcidos para crear un emisor cuántico capaz de emitir fotones individuales. A continuación, acoplaron el emisor cuántico en un espacio con forma de rosquilla de reflexión interna llamado resonador de anillo. Al ajustar la disposición del emisor y el resonador en forma de engranaje, es posible aprovechar la interacción entre el giro del fotón y su momento angular orbital para crear fotones "retorcidos" individuales a pedido.
La clave para habilitar esta funcionalidad de bloqueo del momento de giro se basa en el patrón en forma de engranaje del resonador de anillo que, cuando se diseña cuidadosamente en el diseño, crea el haz de luz de vórtice retorcido que el dispositivo dispara en el velocidad de la luz.
Al integrar esas capacidades en un solo microchip que mide solo 20 micrones de ancho, aproximadamente una cuarta parte del ancho de un cabello humano — el equipo ha creado un emisor de fotones retorcidos capaz de interactuar con otros componentes estandarizados como parte de un sistema de comunicaciones cuánticas.
Ma dijo, “Quedan algunos desafíos clave. Si bien la tecnología del equipo puede controlar la dirección en la que un fotón se mueve en espiral (hacia la derecha o hacia la izquierda), se necesita más trabajo para controlar el número exacto del modo de momento angular orbital. Esa capacidad crítica permitirá que se "escriba" un rango teóricamente infinito de diferentes valores y luego se extraiga de un solo fotón. Los últimos experimentos en el laboratorio de nanofotónica de Strauf muestran resultados prometedores de que este problema se puede superar pronto”.
“También se necesita más trabajo para crear un dispositivo que pueda crear fotones retorcidos con propiedades cuánticas rigurosamente consistentes, es decir, fotones indistinguibles, un requisito clave para permitir el internet cuántico. Tales desafíos afectan a todos los que trabajan en fotónica cuántica y podrían requerir avances en la ciencia de los materiales para resolverlos”.
“Hay muchos desafíos por delante. Pero hemos demostrado el potencial para crear fuentes de luz cuánticas que son más versátiles que cualquier otra cosa posible anteriormente".
Referencia de la revista:
- Yichen Ma et al., Bloqueo de órbita de giro en chip de emisores cuánticos en materiales 2D para emisión quiral, óptica (2022). DUELE: 10.1364/OPTICA.463481
