A pesar del rápido desarrollo de los dispositivos y sistemas fotónicos, las tecnologías de la información en chip se limitan principalmente a sistemas de dos niveles debido a la falta de reconfigurabilidad suficiente para satisfacer los estrictos requisitos. Incluso con los grandes esfuerzos dedicados a los láseres vectoriales y las microcavidades recientemente surgidos para expandir las dimensionalidades, sigue siendo un desafío sintonizar activamente los estados de superposición diversificados y de alta dimensión de la luz bajo demanda.
Los científicos de Penn Engineering ha creado un chip microláser de órbita giratoria hiperdimensional que supera la seguridad y la robustez de los existentes. comunicaciones cuánticas hardware. Su sistema utiliza "qudits" para la comunicación, duplicando el espacio de información cuántica de los láseres en chip anteriores.
Uso de dispositivos cuánticos avanzados qubits, unidades de información digital capaces de ser 1 y 0 simultáneamente. En mecánica cuántica, este estado de simultaneidad se denomina “superposición”. Un bit cuántico en un estado de superposición superior a dos niveles se denomina qudit para indicar estas dimensiones adicionales.
El nuevo dispositivo utiliza qudits de cuatro niveles que permiten avances significativos en criptografía cuántica. Además, el dispositivo ofrece cuatro niveles de superposición y abre la puerta a nuevos aumentos de dimensión.
El becario postdoctoral de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE), Zhifeng Zhang, dijo: “El mayor desafío fue la complejidad y la falta de escalabilidad de la configuración estándar. Ya sabíamos cómo generar estos sistemas de cuatro niveles, pero requería un laboratorio y muchas herramientas ópticas diferentes para controlar todos los parámetros asociados con el aumento de dimensión. Nuestro objetivo era lograr esto en un solo chip. Y eso es exactamente lo que hicimos”.
El microláser de órbita giratoria hiperdimensional avanza el trabajo anterior del grupo con microláseres de vórtice, que regulan con sensibilidad el momento angular orbital (OAM) de los fotones. El dispositivo reciente agrega control sobre el giro fotónico a las capacidades del láser anterior.
Este nivel adicional de control, poder manipular y acoplar OAM y giro, es el avance que les permitió lograr un sistema de cuatro niveles.
El principal logro experimental del trabajo del equipo es el control simultáneo de todos los parámetros que impedían la creación de qudit en fotónica integrada.
ESE Doctorado el estudiante Haoqi Zhao dijo: “Piense en los estados cuánticos de nuestros fotones como dos planetas apilados uno encima del otro. Antes solo teníamos información sobre las latitudes de estos planetas. Con eso, podríamos crear un máximo de dos niveles de superposición. No teníamos suficiente información para apilarlos en cuatro. Ahora, también tenemos la longitud. Esta es la información que necesitamos para manipular los fotones de forma acoplada y lograr un aumento dimensional. coordinamos cada uno rotación del planeta y girar y mantener los dos planetas en relación estratégica entre sí.”
Liang Feng, Profesor en los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE), dijo, “Existe una gran preocupación de que el cifrado matemático, sin importar cuán complejo sea, se vuelva cada vez menos efectivo debido a que estamos avanzando muy rápido en las tecnologías informáticas. La confianza de la comunicación cuántica en las barreras físicas en lugar de las matemáticas la hace inmune a estas futuras amenazas. Es más importante que nunca que continuemos desarrollando y refinando las tecnologías de comunicación cuántica”.
Referencia de la revista:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Emisión de microláser de órbita giratoria en un espacio de Hilbert de cuatro dimensiones. Naturaleza (2022). DUELE: 10.1038 / s41586-022, 05339-z
