Habituellement, les informations sont « écrites » sur le moment cinétique de spin d’un photon dans les systèmes de communication quantique. Dans ce scénario, les photons effectuent une rotation circulaire à droite ou à gauche ou se combinent pour produire une image bidimensionnelle. qubit, une superposition quantique des deux. Des informations peuvent également être stockées sur le moment cinétique orbital d'un photon, que la lumière du trajet en tire-bouchon suit à mesure qu'elle avance tandis que chaque photon fait le tour du centre du faisceau.
Les qubits et qudits propagent les informations stockées dans les photons d'un point à un autre. La principale différence est que les qudits peuvent transporter beaucoup plus d'informations sur la même distance que les qubits, constituant ainsi la base du turbocompresseur de la prochaine génération. communication quantique.
Dans une nouvelle étude, des scientifiques quantiques de Stevens Institute of Technology ont démontré une méthode permettant de coder davantage d’informations dans un seul photon, ouvrant ainsi la porte à des outils de communication quantique encore plus rapides et plus puissants. Ils montrent également qu’ils peuvent créer et contrôler des qudits volants individuels, ou photons « tordus », à la demande.
Yichen Ma, étudiant diplômé du laboratoire de nanophotonique de Strauf, a déclaré : « Normalement, le moment cinétique de spin et le moment cinétique orbital sont des propriétés indépendantes d’un photon. Notre dispositif est le premier à démontrer le contrôle simultané des deux propriétés via le couplage contrôlé entre les deux. C'est très important que nous ayons montré que nous pouvons y parvenir avec des photons uniques plutôt qu'avec des faisceaux lumineux classiques, ce qui constitue la condition de base de toute application de communication quantique.
« Le codage des informations dans le moment cinétique orbital augmente radicalement les informations pouvant être transmises. L’exploitation des photons « tordus » pourrait augmenter la bande passante des outils de communication quantique, leur permettant ainsi de transmettre des données beaucoup plus rapidement.
Les scientifiques ont utilisé un film de diséléniure de tungstène d'une épaisseur atomique pour créer des photons sinueux afin de créer un émetteur quantique capable d'émettre des photons uniques. Ensuite, ils ont couplé l’émetteur quantique dans un espace en forme de beignet à réflexion interne appelé résonateur en anneau. En affinant la disposition de l'émetteur et du résonateur en forme d'engrenage, il est possible d'exploiter l'interaction entre la rotation du photon et son moment cinétique orbital pour créer des photons « tordus » individuels à la demande.
La clé pour activer cette fonctionnalité de verrouillage de l'impulsion de rotation repose sur la configuration en forme d'engrenage du résonateur en anneau, qui, lorsqu'il est soigneusement conçu dans la conception, crée le faisceau de lumière vortex sinueux que l'appareil projette vers le centre. vitesse de la lumière.
En intégrant ces capacités dans une seule micropuce mesurant seulement 20 microns de diamètre, soit environ un quart de la largeur d'un cheveux humains — l'équipe a créé un émetteur de photons torsadés capable d'interagir avec d'autres composants standardisés dans le cadre d'un système de communication quantique.
Ma a affirmé Valérie Plante., « Certains défis majeurs demeurent. Bien que la technologie de l'équipe puisse contrôler la direction dans laquelle une spirale de photons – dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse – des travaux supplémentaires sont nécessaires pour contrôler le numéro exact du mode de moment cinétique orbital. Cette capacité critique permettra à une gamme théoriquement infinie de valeurs différentes d’être « écrites » puis extraites d’un seul photon. Les dernières expériences menées au laboratoire de nanophotonique de Strauf montrent des résultats prometteurs qui permettront de résoudre ce problème dans un avenir proche.»
"Des travaux supplémentaires sont également nécessaires pour créer un dispositif capable de créer des photons tordus dotés de propriétés quantiques rigoureusement cohérentes, c'est-à-dire des photons indiscernables - une exigence clé pour permettre le Internet quantique. De tels défis affectent tous ceux qui travaillent dans le domaine de la photonique quantique et pourraient nécessiter des percées dans la science des matériaux pour les résoudre.
« De nombreux défis nous attendent. Mais nous avons montré le potentiel de création de sources de lumière quantique plus polyvalentes que tout ce qui était possible auparavant.
Journal de référence:
- Yichen Ma et al., Verrouillage spin-orbite sur puce d'émetteurs quantiques dans des matériaux 2D pour l'émission chirale, Optica (2022). EST CE QUE JE: 10.1364/OPTIQUE.463481
