Di solito, le informazioni vengono "scritte" sul momento angolare di spin di un fotone nei sistemi di comunicazione quantistici. In questo scenario, i fotoni compiono una rotazione circolare destra o sinistra oppure si combinano per produrre una bidimensionalità qubit, una sovrapposizione quantistica dei due. Le informazioni possono anche essere memorizzate sul momento angolare orbitale di un fotone, il percorso a cavatappi che la luce prende mentre avanza mentre ogni fotone circonda il centro del raggio.
Qubit e qudit propagano le informazioni memorizzate nei fotoni da un punto all'altro. La differenza principale è che i qudit possono trasportare molte più informazioni sulla stessa distanza rispetto ai qubit, fornendo le basi per il turbocompressore di prossima generazione comunicazione quantistica.
In un nuovo studio, gli scienziati quantistici di Stevens Institute of Technology hanno dimostrato un metodo per codificare più informazioni in un singolo fotone, aprendo la porta a strumenti di comunicazione quantistica ancora più veloci e potenti. Dimostrano anche di poter creare e controllare singoli qudit volanti, o fotoni "tortuosi", su richiesta.
Yichen Ma, uno studente laureato nel laboratorio di nanofotonica di Strauf, ha dichiarato: “Normalmente, il momento angolare di spin e il momento angolare orbitale sono proprietà indipendenti di un fotone. Il nostro dispositivo è il primo a dimostrare il controllo simultaneo di entrambe le proprietà tramite l'accoppiamento controllato tra i due. È un grosso problema aver dimostrato che possiamo farlo con singoli fotoni anziché con i classici raggi di luce, che è il requisito fondamentale per qualsiasi applicazione di comunicazione quantistica».
“La codifica delle informazioni nel momento angolare orbitale aumenta radicalmente le informazioni che possono essere trasmesse. Sfruttare i fotoni "tortuosi" potrebbe aumentare la larghezza di banda degli strumenti di comunicazione quantistica, consentendo loro di trasmettere i dati molto più rapidamente".
Gli scienziati hanno utilizzato una pellicola spessa come un atomo di diseleniuro di tungsteno per creare fotoni tortuosi per creare un emettitore quantico in grado di emettere singoli fotoni. Successivamente, hanno accoppiato l'emettitore quantico in uno spazio a forma di ciambella riflettente internamente chiamato risonatore ad anello. Mettendo a punto la disposizione dell'emettitore e del risonatore a forma di ingranaggio, è possibile sfruttare l'interazione tra lo spin del fotone e il suo momento angolare orbitale per creare singoli fotoni "tortuosi" su richiesta.
La chiave per abilitare questa funzionalità di blocco dello spin-momentum si basa sul modello a forma di ingranaggio del risonatore ad anello, che, se attentamente progettato nel design, crea il raggio di luce a vortice tortuoso che il dispositivo emette al velocità della luce.
Integrando queste capacità in un singolo microchip che misura appena 20 micron di diametro, circa un quarto della larghezza di un Capello umano — il team ha creato un emettitore di fotoni tortuosi in grado di interagire con altri componenti standardizzati come parte di un sistema di comunicazioni quantistiche.
Ma disse, “Rimangono alcune sfide chiave. Mentre la tecnologia del team può controllare la direzione in cui una spirale di fotoni – in senso orario o antiorario – è necessario più lavoro per controllare l'esatto numero di modalità del momento angolare orbitale. Questa capacità critica consentirà di "scrivere" e successivamente estrarre una gamma teoricamente infinita di valori diversi da un singolo fotone. Gli ultimi esperimenti nel laboratorio di nanofotonica di Strauf mostrano risultati promettenti che questo problema può essere presto superato».
“Sono necessari ulteriori lavori anche per creare un dispositivo in grado di creare fotoni contorti con proprietà quantistiche rigorosamente coerenti, vale a dire fotoni indistinguibili, un requisito fondamentale per consentire il internet quantico. Tali sfide riguardano tutti coloro che lavorano nella fotonica quantistica e potrebbero richiedere scoperte nella scienza dei materiali per essere risolte».
“Ci aspettano molte sfide. Ma abbiamo dimostrato il potenziale per la creazione di sorgenti di luce quantistica che sono più versatili di qualsiasi altra cosa possibile in precedenza".
Riferimento della Gazzetta:
- Yichen Ma et al., Blocco dell'orbita di spin su chip di emettitori quantistici in materiali 2D per l'emissione chirale, Optica (2022). DOI: 10.1364/OTTICA.463481
