A kvantumkommunikációs rendszerekben általában egy foton spin szögimpulzusára „írják” az információt. Ebben a forgatókönyvben a fotonok vagy jobbra vagy balra körkörös forgást végeznek, vagy kombinálva kétdimenziós képet hoznak létre. qubitek, a kettő kvantum-szuperpozíciója. Információk tárolhatók a foton pálya szögimpulzusára vonatkozóan is, a dugóhúzó-pályafény halad előre, miközben minden foton megkerüli a sugár középpontját.
A qubitek és quditok a fotonokban tárolt információkat terjesztik egyik pontról a másikra. A fő különbség az, hogy a quditok sokkal több információt tudnak szállítani ugyanazon a távolságon, mint a qubitek, ami alapot ad a következő generációs turbófeltöltéshez. kvantumkommunikáció.
Egy új tanulmányban a kvantumtudósok a Stevens Műszaki Intézet bemutattak egy módszert több információ egyetlen fotonba való kódolására, ami még gyorsabb és hatékonyabb kvantumkommunikációs eszközök előtt nyitja meg az ajtót. Azt is megmutatják, hogy igény szerint képesek egyedi repülő quditokat vagy „tekervényes” fotonokat létrehozni és irányítani.
Yichen Ma, a Strauf NanoPhotonics Lab végzős hallgatója elmondta: „Általában a spin impulzusimpulzusa és az orbitális szögimpulzus a foton független tulajdonságai. Készülékünk elsőként demonstrálja mindkét tulajdonság egyidejű szabályozását a kettő közötti ellenőrzött csatolás révén. Nagy dolog, hogy bebizonyítottuk, hogy ezt a klasszikus fénysugarak helyett egyedi fotonokkal is meg tudjuk valósítani, ami minden kvantumkommunikációs alkalmazás alapvető követelménye.”
„Az információ orbitális szögimpulzusba való kódolása radikálisan megnöveli a továbbítható információ mennyiségét. A „tekervényes” fotonok kihasználása növelheti a kvantumkommunikációs eszközök sávszélességét, lehetővé téve számukra, hogy sokkal gyorsabban továbbítsák az adatokat.
A tudósok egy atom vastagságú wolfram-diszelenid filmet használtak kanyargós fotonok létrehozására, hogy létrehozzanak egy kvantumsugárzót, amely képes egyetlen foton kibocsátására. Ezután összekapcsolták a kvantumsugárzót egy belsőleg visszaverő, fánk alakú térben, amelyet gyűrűrezonátornak neveznek. Az emitter és a fogaskerék alakú rezonátor elrendezésének finomhangolásával lehetséges a foton spinje és a pálya szögimpulzusa közötti kölcsönhatás kihasználása, hogy igény szerint egyedi „tekervényes” fotonokat hozzanak létre.
A forgási lendületet rögzítő funkció lehetővé tételének kulcsa a gyűrűrezonátor fogaskerék alakú mintázatán múlik, amely a tervezés során gondosan megtervezett, csavaros, örvénylő fénysugarat hoz létre, amelyet az eszköz a fénysebesség.
Ezeket a képességeket egyetlen mikrochipbe integrálva, amelynek átmérője mindössze 20 mikron – körülbelül a szélesség negyede emberi haj - a csapat egy csavart foton-sugárzót hozott létre, amely képes kölcsönhatásba lépni más szabványosított komponensekkel egy kvantumkommunikációs rendszer részeként.
Ma mondott, „Néhány kulcsfontosságú kihívás továbbra is fennáll. Míg a csapat technológiája képes szabályozni a fotonspirál irányát – az óramutató járásával megegyezően vagy ellentétes irányban –, több munkára van szükség a pontos orbitális impulzusmomentum mód számának szabályozásához. Ez a kritikus képesség lehetővé teszi, hogy különböző értékek elméletileg végtelen tartományát „írjuk” egyetlen fotonba, és később kinyerjük belőle. A Strauf Nanophotonics Lab legújabb kísérletei ígéretes eredményeket mutatnak, amelyek szerint ez a probléma hamarosan leküzdhető.”
„További munkára van szükség egy olyan eszköz létrehozásához is, amely szigorúan konzisztens kvantumtulajdonságokkal rendelkező csavart fotonokat, azaz megkülönböztethetetlen fotonokat képes létrehozni – ez kulcsfontosságú követelmény a kvantum internet. Az ilyen kihívások mindenkit érintenek, aki kvantumfotonikával foglalkozik, és megoldásuk anyagtudományi áttörést igényelhet.”
„Rengeteg kihívás áll előttünk. De megmutattuk, milyen lehetőségek rejlenek olyan kvantumfényforrások létrehozásában, amelyek minden eddiginél sokoldalúbbak.”
Journal Reference:
- Yichen Ma et al., Kvantumsugárzók forgópályán történő rögzítése 2D-s anyagokban királis emisszió érdekében, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
