معمولاً اطلاعات روی تکانه زاویه‌ای اسپین فوتون در سیستم‌های ارتباطی کوانتومی «نوشته می‌شوند». در این سناریو، فوتون‌ها یا چرخش دایره‌ای به راست یا چپ انجام می‌دهند یا با هم ترکیب می‌شوند تا یک چرخش دو بعدی ایجاد کنند. کیوبیت، برهم نهی کوانتومی این دو. همچنین می‌توان اطلاعات را بر روی تکانه زاویه‌ای مداری فوتون ذخیره کرد، نور مسیر چوب پنبه‌باز در حالی که هر فوتون در مرکز پرتو می‌چرخد، می‌گیرد.
کیوبیت ها و کودیت ها اطلاعات ذخیره شده در فوتون ها را از نقطه ای به نقطه دیگر منتشر می کنند. تفاوت اصلی این است که qudit ها می توانند اطلاعات بسیار بیشتری را در فاصله مشابهی نسبت به کیوبیت ها حمل کنند و پایه و اساس توربوشارژ نسل بعدی را فراهم کنند. ارتباطات کوانتومی.
در یک مطالعه جدید، دانشمندان کوانتومی در استیونز موسسه فناوری روشی را برای رمزگذاری اطلاعات بیشتر در یک فوتون نشان داده‌اند که دری را به روی ابزارهای ارتباطی کوانتومی سریع‌تر و قدرتمندتر باز می‌کند. آنها همچنین نشان می‌دهند که می‌توانند بر حسب تقاضا، تک تک قدیت‌های پرنده یا فوتون‌های «پیچیده» را ایجاد و کنترل کنند.
یچن ما، دانشجوی کارشناسی ارشد در آزمایشگاه نانوفوتونیکس استراف، گفت: "به طور معمول، تکانه زاویه ای اسپین و تکانه زاویه ای مداری ویژگی های مستقل یک فوتون هستند. دستگاه ما اولین دستگاهی است که کنترل همزمان هر دو ویژگی را از طریق جفت کنترل شده بین این دو نشان می دهد. این کار بزرگی است که ما نشان داده‌ایم می‌توانیم این کار را با فوتون‌های منفرد به جای پرتوهای نور کلاسیک انجام دهیم، که نیاز اساسی برای هر کاربرد ارتباطی کوانتومی است.
رمزگذاری اطلاعات در تکانه زاویه ای مداری، اطلاعات قابل انتقال را به شدت افزایش می دهد. استفاده از فوتون‌های «پیچ‌پیچ» می‌تواند پهنای باند ابزارهای ارتباطی کوانتومی را افزایش داده و آنها را قادر می‌سازد تا داده‌ها را با سرعت بیشتری منتقل کنند.
دانشمندان از یک لایه ضخیم اتم تنگستن دیزلنید برای ایجاد فوتون های پیچشی استفاده کردند تا یک تابشگر کوانتومی با قابلیت گسیل فوتون های منفرد ایجاد کنند. سپس، آنها تابشگر کوانتومی را در یک فضای دونات شکل بازتابنده داخلی به نام تشدید کننده حلقه جفت کردند. با تنظیم دقیق چیدمان امیتر و تشدیدگر چرخ دنده ای، می توان از برهمکنش بین اسپین فوتون و تکانه زاویه ای مداری آن برای ایجاد فوتون های "پیچان" منفرد در صورت نیاز استفاده کرد.
کلید فعال کردن این قابلیت قفل کردن چرخش تکانه بر الگوی چرخ دنده شکل تشدید کننده حلقه تکیه دارد، که وقتی به دقت در طراحی مهندسی شود، پرتو چرخشی پیچشی از نور ایجاد می کند که دستگاه به سمت بیرون پرتاب می کند. سرعت نور.
با ادغام این قابلیت ها در یک ریزتراشه منفرد به اندازه 20 میکرون - حدود یک چهارم عرض موی انسان - این تیم یک فرستنده فوتون پیچشی ایجاد کرده است که قادر به تعامل با سایر اجزای استاندارد شده به عنوان بخشی از یک سیستم ارتباطی کوانتومی است.
Ma گفت:, "برخی از چالش های کلیدی باقی مانده است. در حالی که فناوری این تیم می‌تواند جهت مارپیچ فوتون - در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت - را کنترل کند تا برای کنترل عدد دقیق حالت تکانه زاویه‌ای مداری به کار بیشتری نیاز باشد. این قابلیت حیاتی، دامنه نظری بی‌نهایتی از مقادیر مختلف را قادر می‌سازد تا در یک فوتون «نوشته» شوند و بعداً از آن استخراج شوند. آخرین آزمایش‌ها در آزمایشگاه نانوفوتونیکس Strauf نتایج امیدوارکننده‌ای را نشان می‌دهد که می‌توان به زودی بر این مشکل غلبه کرد.
همچنین کار بیشتری برای ایجاد دستگاهی لازم است که بتواند فوتون‌های پیچ خورده با خواص کوانتومی کاملاً سازگار ایجاد کند، یعنی فوتون‌های غیرقابل تشخیص - یک نیاز کلیدی برای فعال کردن اینترنت کوانتومی. چنین چالش‌هایی بر همه افرادی که در فوتونیک کوانتومی کار می‌کنند تأثیر می‌گذارد و می‌تواند به پیشرفت‌هایی در علم مواد نیاز داشته باشد.
"چالش های زیادی در پیش است. اما ما پتانسیل ایجاد منابع نور کوانتومی را نشان داده‌ایم که تطبیق‌پذیرتر از هر چیزی که قبلاً ممکن بود باشد.»
مرجع مجله:
- یچن ما و همکاران، قفل کردن مدار چرخشی روی تراشه تابشگرهای کوانتومی در مواد دوبعدی برای انتشار کایرال، اپتیکا (2022) DOI: 10.1364/OPTICA.463481
