Nonostante il rapido sviluppo di dispositivi e sistemi fotonici, le tecnologie dell'informazione su chip sono per lo più limitate a sistemi a due livelli a causa della mancanza di riconfigurabilità sufficiente per soddisfare i rigorosi requisiti. Anche con i grandi sforzi dedicati ai laser vettoriali e alle microcavità recentemente emersi per espandere le dimensionalità, rimane una sfida sintonizzare attivamente gli stati di luce diversificati e di sovrapposizione ad alta dimensione su richiesta.
Gli scienziati di Penn Engineering ha creato un chip microlaser iperdimensionale e spin-orbita che supera la sicurezza e la robustezza di quelli esistenti comunicazioni quantistiche hardware. Il loro sistema utilizza “qudit” per la comunicazione, raddoppiando lo spazio di informazioni quantistiche dei precedenti laser su chip.
Utilizzo di dispositivi quantistici avanzati qubit, unità di informazione digitale in grado di essere sia 1 che 0 contemporaneamente. Nella meccanica quantistica, questo stato di simultaneità è chiamato “sovrapposizione”. Un bit quantistico in uno stato di sovrapposizione maggiore di due livelli è chiamato qudit per segnalare queste dimensioni aggiuntive.
Il nuovo dispositivo utilizza qudit a quattro livelli che consentono progressi significativi crittografia quantistica. Inoltre, il dispositivo offre quattro livelli di sovrapposizione e apre la porta a ulteriori incrementi dimensionali.
Zhifeng Zhang, ricercatore post-dottorato in Scienza e ingegneria dei materiali (MSE), ha affermato: “La sfida più grande è stata la complessità e la non scalabilità della configurazione standard. Sapevamo già come generare questi sistemi a quattro livelli, ma richiedevano un laboratorio e molti strumenti ottici diversi per controllare tutti i parametri associati all'aumento delle dimensioni. Il nostro obiettivo era raggiungere questo obiettivo con un singolo chip. Ed è esattamente quello che abbiamo fatto”.
Il microlaser spin-orbita iperdimensionale fa avanzare il lavoro passato del gruppo con i microlaser a vortice, che regolano sensibilmente il momento angolare orbitale dei fotoni (OAM). Il recente dispositivo aggiunge il controllo sullo spin fotonico alle capacità del laser precedente.
Questo ulteriore livello di controllo, ovvero la capacità di manipolare e accoppiare OAM e rotazione, è la svolta che ha permesso loro di ottenere un sistema a quattro livelli.
Il principale risultato sperimentale del lavoro del team è il controllo simultaneo di tutti i parametri che impedivano la creazione di qudit nella fotonica integrata.
Dottorato di Ricerca ESE lo studente Haoqi Zhao ha detto, “Pensa agli stati quantistici dei nostri fotoni come a due pianeti impilati uno sopra l’altro. Prima avevamo solo informazioni sulle latitudini di questi pianeti. Con ciò, potremmo creare un massimo di due livelli di sovrapposizione. Non avevamo informazioni sufficienti per raggrupparli in quattro. Ora abbiamo anche la longitudine. Queste sono le informazioni di cui abbiamo bisogno per manipolare i fotoni in modo accoppiato e ottenere un aumento dimensionale. Coordiniamo ciascuno rotazione del pianeta e ruotare e mantenere i due pianeti in relazione strategica tra loro.
Liang Feng, Professore presso i Dipartimenti di Scienza e Ingegneria dei Materiali (MSE), disse, “C’è molta preoccupazione che la crittografia matematica, non importa quanto complessa, diventerà sempre meno efficace perché stiamo avanzando così rapidamente nelle tecnologie informatiche. La dipendenza della comunicazione quantistica da barriere fisiche piuttosto che matematiche la rende immune a queste minacce future. È più importante che mai continuare a sviluppare e perfezionare le tecnologie di comunicazione quantistica”.
Riferimento della Gazzetta:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Microlaser in orbita di rotazione che emette in uno spazio di Hilbert quadridimensionale. Natura (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
