Meskipun pesatnya perkembangan perangkat dan sistem fotonik, teknologi informasi on-chip sebagian besar terbatas pada sistem dua tingkat karena kurangnya kemampuan konfigurasi ulang yang memadai untuk memenuhi persyaratan yang ketat. Bahkan dengan upaya ekstensif yang didedikasikan untuk laser vektor dan rongga mikro yang baru-baru ini muncul untuk memperluas dimensi, masih merupakan tantangan untuk secara aktif menyesuaikan keadaan superposisi cahaya berdimensi tinggi yang terdiversifikasi sesuai permintaan.
Ilmuwan dari Penn Teknik telah menciptakan chip mikrolaser spin-orbit hiperdimensi yang melampaui keamanan dan ketahanan yang sudah ada komunikasi kuantum perangkat keras. Sistem mereka menggunakan “qudits” untuk komunikasi, menggandakan ruang informasi kuantum dari laser on-chip sebelumnya.
Penggunaan perangkat kuantum tingkat lanjut qubit, unit informasi digital yang mampu menjadi 1 dan 0 secara bersamaan. Dalam mekanika kuantum, keadaan simultanitas ini disebut “superposisi”. Bit kuantum dalam keadaan superposisi lebih besar dari dua tingkat disebut qudit untuk menandakan dimensi tambahan ini.
Perangkat baru ini menggunakan qudits empat tingkat yang memungkinkan kemajuan signifikan kriptografi kuantum. Selain itu, perangkat ini menawarkan empat tingkat superposisi dan membuka pintu untuk peningkatan dimensi lebih lanjut.
Rekan pascadoktoral Ilmu dan Teknik Material (MSE) Zhifeng Zhang berkata, “Tantangan terbesarnya adalah kompleksitas dan non-skalabilitas dari pengaturan standar. Kami sudah mengetahui cara menghasilkan sistem empat tingkat ini, namun hal ini memerlukan laboratorium dan banyak alat optik berbeda untuk mengontrol semua parameter yang terkait dengan peningkatan dimensi. Tujuan kami adalah mencapai hal ini dalam satu chip. Dan itulah yang kami lakukan.”
Mikrolaser spin-orbit hiperdimensi memajukan penelitian kelompok sebelumnya dengan mikrolaser pusaran, yang secara sensitif mengatur momentum sudut orbital (OAM) foton. Perangkat terbaru menambahkan kontrol atas putaran fotonik pada kemampuan laser sebelumnya.
Tingkat kontrol tambahan ini—kemampuan untuk memanipulasi dan menggabungkan OAM dan putaran—adalah terobosan yang memungkinkan mereka mencapai sistem empat tingkat.
Pencapaian eksperimental utama dari kerja tim adalah kontrol simultan dari semua parameter yang mencegah pembuatan qudit dalam fotonik terintegrasi.
ESE Ph.D. siswa Haoqi Zhao berkata, “Bayangkan keadaan kuantum foton kita sebagai dua planet yang bertumpuk satu sama lain. Sebelumnya, kita hanya mempunyai informasi tentang garis lintang planet-planet tersebut. Dengan itu, kita bisa membuat maksimal dua level superposisi. Kami tidak memiliki cukup informasi untuk menyusunnya menjadi empat. Sekarang, kita juga punya garis bujur. Ini adalah informasi yang kita perlukan untuk memanipulasi foton secara berpasangan dan mencapai peningkatan dimensi. Kita koordinasikan masing-masing rotasi planet dan memutar serta menahan kedua planet dalam hubungan strategis satu sama lain.”
Liang Feng, Profesor di Departemen Ilmu dan Teknik Material (MSE), tersebut, “Ada banyak kekhawatiran bahwa enkripsi matematis, betapapun rumitnya, akan menjadi semakin tidak efektif karena kemajuan teknologi komputasi kita begitu pesat. Ketergantungan komunikasi kuantum pada hambatan fisik dibandingkan hambatan matematis membuatnya kebal terhadap ancaman di masa depan. Kini menjadi lebih penting lagi bagi kami untuk terus mengembangkan dan menyempurnakan teknologi komunikasi kuantum.”
Referensi Jurnal:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. dkk. Mikrolaser spin-orbit memancarkan dalam ruang Hilbert empat dimensi. Alam (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
