בדרך כלל, מידע "נכתב" על התנע הזוויתי הספין של פוטון במערכות תקשורת קוונטיות. בתרחיש זה, פוטונים מבצעים סיבוב ימינה או שמאלה-מעגלי או מתאחדים כדי ליצור דו-ממדי קיוביט, סופרפוזיציה קוונטית של השניים. ניתן לאחסן מידע גם על התנע הזוויתי של הפוטון, שאור נתיב חולץ הפקקים מקבל כשהוא מתקדם בזמן שכל פוטון מקיף את מרכז הקרן.
קוויביטים וקוודיטים מפיצים מידע המאוחסן בפוטונים מנקודה אחת לאחרת. ההבדל העיקרי הוא ש-quidits יכולים לשאת הרבה יותר מידע באותו מרחק מאשר qudits, מה שמספק את הבסיס להטענת טורבו מהדור הבא תקשורת קוונטית.
במחקר חדש, מדעני קוונטים ב סטיבנס המכון הטכנולוגי הדגימו שיטה לקידוד מידע נוסף לפוטון בודד, ופתחו את הדלת לכלי תקשורת קוונטיים מהירים וחזקים אף יותר. הם גם מראים שהם יכולים ליצור ולשלוט בקווידטים מעופפים בודדים, או פוטונים "מעוותים", לפי דרישה.
Yichen Ma, סטודנט לתואר שני במעבדת NanoPhotonics של שטרוף, אמר, "בדרך כלל, התנע הזוויתי הספין והתנע הזוויתי המסלולי הם תכונות עצמאיות של פוטון. המכשיר שלנו הוא הראשון שהדגים שליטה בו זמנית בשני המאפיינים באמצעות הצימוד המבוקר בין השניים. זה עניין גדול שהראינו שאנחנו יכולים לעשות את זה עם פוטונים בודדים ולא קרני אור קלאסיות, שזו הדרישה הבסיסית לכל יישום תקשורת קוונטית."
"קידוד מידע לתנע זוויתי מסלולי מגדיל באופן קיצוני את המידע שניתן להעביר. מינוף פוטונים "מעוותים" יכול להגביר את רוחב הפס של כלי תקשורת קוונטיים, ולאפשר להם להעביר נתונים הרבה יותר מהר."
מדענים השתמשו בסרט בעובי אטום של טונגסטן דיסלניד כדי ליצור פוטונים מפותלים כדי ליצור פולט קוונטי המסוגל לפלוט פוטונים בודדים. לאחר מכן, הם חיברו את פולט הקוונטי בחלל בצורת סופגנייה משקף פנימי הנקרא מהוד טבעת. על ידי כוונון עדין של הסידור של הפולט והמהוד בצורת גלגל השיניים, ניתן למנף את האינטראקציה בין הספין של הפוטון לתנע הזוויתי המסלולי שלו כדי ליצור פוטונים בודדים "מעוותים" לפי דרישה.
המפתח להפעלת פונקציונליות נעילת ספין-מומנטום זו מסתמך על הדפוס בצורת גלגל השיניים של מהוד הטבעת, שכאשר הוא מתוכנן בקפידה בעיצוב, יוצר את אלומת האור המערבולת המפותלת שהמכשיר יורה החוצה לעבר מהירות האור.
על ידי שילוב היכולות הללו לשבב יחיד בגודל 20 מיקרון בלבד - כרבע מרוחב של שיער אנושי - הצוות יצר פולט פוטון מתפתל המסוגל ליצור אינטראקציה עם רכיבים סטנדרטיים אחרים כחלק ממערכת תקשורת קוונטית.
Ma אמר, "נותרו כמה אתגרים מרכזיים. בעוד שהטכנולוגיה של הצוות יכולה לשלוט בכיוון שבו ספירלת פוטון - עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון - נדרשת עבודה נוספת כדי לשלוט על מספר מצב התנע הזוויתי המדויק של המסלול. יכולת קריטית זו תאפשר "לכתוב" טווח אינסופי תיאורטית של ערכים שונים לתוך פוטון בודד ולחלץ אותו מאוחר יותר. הניסויים האחרונים במעבדת הננופוטוניקה של שטרוף מראים תוצאות מבטיחות שניתן להתגבר על בעיה זו בקרוב".
"דרושה גם עבודה נוספת כדי ליצור מכשיר שיכול ליצור פוטונים מעוותים בעלי תכונות קוונטיות עקביות בקפדנות, כלומר, פוטונים שלא ניתן להבחין בהם - דרישה מרכזית כדי לאפשר את אינטרנט קוונטי. אתגרים כאלה משפיעים על כל מי שעובד בפוטוניקה קוונטית ועשויים לדרוש פריצות דרך במדעי החומר כדי לפתור אותם."
"הרבה אתגרים לפנינו. אבל הראינו את הפוטנציאל ליצירת מקורות אור קוונטיים שהם מגוונים יותר מכל דבר שהיה אפשרי בעבר."
עיון ביומן:
- Yichen Ma וחב', נעילת ספין-מסלול על-שבב של פולטים קוונטיים בחומרים דו-ממדיים לפליטת כיראל, אופטיקה (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
