Biasanya, informasi "ditulis" pada momentum sudut spin foton dalam sistem komunikasi kuantum. Dalam skenario ini, foton melakukan rotasi melingkar kanan atau kiri atau bergabung untuk menghasilkan dua dimensi qubit, superposisi kuantum dari keduanya. Informasi juga dapat disimpan pada momentum sudut orbital foton, yang diambil cahaya jalur pembuka botol saat bergerak maju sementara setiap foton mengelilingi pusat berkas.
Qubit dan qudit menyebarkan informasi yang disimpan dalam foton dari satu titik ke titik lainnya. Perbedaan utama adalah bahwa qudit dapat membawa lebih banyak informasi pada jarak yang sama daripada qubit, memberikan dasar untuk turbocharging generasi berikutnya. komunikasi kuantum.
Dalam sebuah studi baru, para ilmuwan kuantum di Institut Teknologi Stevens telah mendemonstrasikan metode untuk menyandikan lebih banyak informasi ke dalam satu foton, membuka pintu ke alat komunikasi kuantum yang lebih cepat dan lebih kuat. Mereka juga menunjukkan bahwa mereka dapat membuat dan mengontrol qudit terbang individu, atau foton "berputar", sesuai permintaan.
Yichen Ma, seorang mahasiswa pascasarjana di Lab NanoPhotonics Strauf, berkata, “Biasanya, momentum sudut spin dan momentum sudut orbital adalah sifat independen dari sebuah foton. Perangkat kami adalah yang pertama menunjukkan kontrol simultan dari kedua properti melalui kopling terkontrol antara keduanya. Ini adalah masalah besar yang telah kami tunjukkan bahwa kami dapat melakukan ini dengan foton tunggal daripada berkas cahaya klasik, yang merupakan persyaratan dasar untuk aplikasi komunikasi kuantum apa pun.”
“Mengkodekan informasi menjadi momentum sudut orbital secara radikal meningkatkan informasi yang dapat ditransmisikan. Memanfaatkan foton "berliku" dapat meningkatkan bandwidth alat komunikasi kuantum, memungkinkan mereka untuk mengirimkan data jauh lebih cepat."
Para ilmuwan menggunakan film tungsten diselenide setebal atom untuk membuat foton berkelok-kelok untuk menciptakan emitor kuantum yang mampu memancarkan foton tunggal. Selanjutnya, mereka menggabungkan emitor kuantum dalam ruang berbentuk donat reflektif internal yang disebut resonator cincin. Dengan menyempurnakan pengaturan emitor dan resonator berbentuk roda gigi, dimungkinkan untuk memanfaatkan interaksi antara putaran foton dan momentum sudut orbitalnya untuk membuat foton "berputar" individu sesuai permintaan.
Kunci untuk mengaktifkan fungsi penguncian momen-putar ini bergantung pada pola berbentuk roda gigi dari resonator cincin, yang, ketika direkayasa dengan cermat dalam desain, menciptakan berkas cahaya pusaran berkelok-kelok yang ditembakkan perangkat ke arah kecepatan cahaya.
Dengan mengintegrasikan kemampuan tersebut ke dalam satu microchip berukuran hanya 20 mikron — sekitar seperempat lebar a rambut manusia — tim telah menciptakan pemancar foton berkelok-kelok yang mampu berinteraksi dengan komponen standar lainnya sebagai bagian dari sistem komunikasi kuantum.
Ma tersebut, “Beberapa tantangan utama tetap ada. Sementara teknologi tim dapat mengontrol arah di mana spiral foton - searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam - lebih banyak pekerjaan diperlukan untuk mengontrol nomor mode momentum sudut orbital yang tepat. Kemampuan kritis itu akan memungkinkan rentang nilai yang berbeda secara teoritis tak terbatas untuk "ditulis" ke dalam dan kemudian diekstraksi dari satu foton. Eksperimen terbaru di Lab Nanophotonics Strauf menunjukkan hasil yang menjanjikan bahwa masalah ini dapat segera diatasi.”
“Pekerjaan lebih lanjut juga diperlukan untuk membuat perangkat yang dapat membuat foton bengkok dengan sifat kuantum yang sangat konsisten, yaitu foton yang tidak dapat dibedakan — persyaratan utama untuk memungkinkan internet kuantum. Tantangan semacam itu memengaruhi semua orang yang bekerja di fotonik kuantum dan dapat memerlukan terobosan dalam ilmu material untuk dipecahkan.”
“Banyak tantangan terbentang di depan. Tetapi kami telah menunjukkan potensi untuk menciptakan sumber cahaya kuantum yang lebih fleksibel daripada apa pun yang mungkin dilakukan sebelumnya.”
Referensi Jurnal:
- Yichen Ma et al., Penguncian spin-orbit on-chip dari pemancar kuantum dalam bahan 2D untuk emisi kiral, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
