La nouvelle puce microlaser surpasse la sécurité et la robustesse des communications quantiques

Malgré le développement rapide des dispositifs et systèmes photoniques, les technologies de l'information sur puce sont principalement limitées à des systèmes à deux niveaux en raison du manque de reconfigurabilité suffisante pour satisfaire à l'exigence stricte. Même avec des efforts considérables consacrés aux lasers vectoriels et aux microcavités récemment apparus pour étendre les dimensionnalités, il reste un défi de régler activement les états de superposition diversifiés et de haute dimension de la lumière à la demande.

Les scientifiques de Penn L'ingénierie a créé une puce microlaser hyperdimensionnelle à spin-orbite qui dépasse la sécurité et la robustesse des communications quantiques matériel. Leur système utilise des "qudits" pour la communication, doublant l'espace d'information quantique des lasers sur puce antérieurs.

Utilisation d'appareils quantiques avancés qubits, unités d'information numérique pouvant être à la fois 1 et 0 simultanément. En mécanique quantique, cet état de simultanéité est appelé "superposition". Un bit quantique dans un état de superposition supérieur à deux niveaux est appelé un qudit pour signaler ces dimensions supplémentaires.

Le nouvel appareil utilise des qudits à quatre niveaux qui permettent des avancées significatives dans cryptographie quantique. De plus, le dispositif offre quatre niveaux de superposition et ouvre la porte à de nouvelles augmentations de dimension.

Le boursier postdoctoral en science et génie des matériaux (MSE), Zhifeng Zhang, a déclaré : « Le plus grand défi était la complexité et la non-évolutivité de la configuration standard. Nous savions déjà comment générer ces systèmes à quatre niveaux, mais cela nécessitait un laboratoire et de nombreux outils optiques différents pour contrôler tous les paramètres associés à l'augmentation de dimension. Notre objectif était d'y parvenir sur une seule puce. Et c'est exactement ce que nous avons fait.

Le microlaser spin-orbite hyperdimensionnel fait progresser les travaux antérieurs du groupe sur les microlasers vortex, qui régulent avec sensibilité le moment angulaire orbital (OAM) des photons. Le dispositif récent ajoute le contrôle du spin photonique aux capacités du laser précédent.

Ce niveau de contrôle supplémentaire - être capable de manipuler et de coupler OAM et spin - est la percée qui leur a permis de réaliser un système à quatre niveaux.

La principale réalisation expérimentale des travaux de l'équipe est le contrôle simultané de tous les paramètres qui empêchaient la création de qudits en photonique intégrée.

Doctorat ESE l'étudiant Haoqi Zhao a dit, "Pensez aux états quantiques de nos photons comme à deux planètes empilées l'une sur l'autre. Avant, nous n'avions d'informations que sur les latitudes de ces planètes. Avec cela, nous pourrions créer un maximum de deux niveaux de superposition. Nous n'avions pas assez d'informations pour les empiler en quatre. Maintenant, nous avons aussi la longitude. C'est l'information dont nous avons besoin pour manipuler les photons de manière couplée et obtenir une augmentation dimensionnelle. Nous coordonnons chacun rotation de la planète et faire tourner et maintenir les deux planètes en relation stratégique l'une avec l'autre.

Liang Feng, professeur aux départements de science et génie des matériaux (MSE), a affirmé Valérie Plante., « On craint beaucoup que le cryptage mathématique, quelle que soit sa complexité, devienne de moins en moins efficace parce que nous avançons si rapidement dans les technologies informatiques. La dépendance de la communication quantique à des barrières physiques plutôt que mathématiques la rend immunisée contre ces menaces futures. Il est plus important que jamais que nous continuions à développer et à affiner les technologies de communication quantique. »

Journal de référence:

1. Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Microlaser spin-orbite émettant dans un espace de Hilbert à quatre dimensions. Nature (2022). EST CE QUE JE: 10.1038 / s41586-022-05339-z