למרות ההתפתחות המהירה של התקנים ומערכות פוטוניים, טכנולוגיות מידע על-שבב מוגבלות לרוב למערכות דו-מפלסיות בגלל היעדר יכולת הגדרה מחדש מספקת כדי לעמוד בדרישה המחמירה. אפילו עם מאמצים נרחבים שהוקדשו ללייזרים וקטוריים ומיקרו-חללים שהופיעו לאחרונה כדי להרחיב את הממדים, זה נותר אתגר לכוונן באופן פעיל את מצבי הסופרפוזיציה המגוונים והממדים הגבוהים של אור לפי דרישה.
מדענים מ פן הנדסה יצרה שבב מיקרו-לייזר היפר-ממדי, סיבובי סיבוב, העולה על האבטחה והחוסן של הקיים תקשורת קוונטית חוּמרָה. המערכת שלהם משתמשת ב-"Qudits" לתקשורת, ומכפילה את מרחב המידע הקוונטי של לייזרים קודמים על-שבב.
שימוש במכשירים קוונטיים מתקדמים קווביטים, יחידות של מידע דיגיטלי המסוגלות להיות גם 1 וגם 0 בו זמנית. במכניקת הקוונטים, מצב זה של סימולטניות נקרא "סופרפוזיציה". סיבית קוונטית במצב של סופרפוזיציה גדולה משתי רמות נקראת qudit כדי לאותת על מימדים נוספים אלה.
המכשיר החדש משתמש ב-Qudits בארבע רמות המאפשרות התקדמות משמעותית בתחום קריפטוגרפיה קוונטית. יתרה מכך, המכשיר מציע ארבע רמות של סופרפוזיציה ופותח את הדלת לעלייה נוספת בממדים.
עמית פוסט-דוקטורט למדע והנדסת חומרים (MSE), Zhifeng Zhang, אמר, "האתגר הגדול ביותר היה המורכבות ואי הסקלביליות של ההגדרה הסטנדרטית. כבר ידענו לייצר את המערכות האלה בארבע רמות, אבל זה דרש מעבדה וכלים אופטיים רבים ושונים כדי לשלוט בכל הפרמטרים הקשורים לגידול בממד. המטרה שלנו הייתה להשיג זאת בשבב אחד. וזה בדיוק מה שעשינו".
מיקרולייזר ספין-מסלול היפר-ממדי מקדם את עבודת העבר של הקבוצה עם מיקרולייזרי מערבולת, המווסתים ברגישות את התנע הזוויתי של הפוטונים (OAM). המכשיר האחרון מוסיף שליטה בספין הפוטוני ליכולות הלייזר הקודם.
רמת שליטה נוספת זו - היכולת לתמרן ולחבר OAM וספין - היא פריצת הדרך שאפשרה להם להשיג מערכת של ארבע רמות.
ההישג הניסיוני העיקרי של עבודת הצוות הוא שליטה בו-זמנית של כל הפרמטרים שמנעו יצירת qudit בפוטוניקה משולבת.
ESE Ph.D. הסטודנט האוקי ג'או אמר, "חשבו על המצבים הקוונטיים של הפוטונים שלנו כשני כוכבי לכת מוערמים זה על גבי זה. לפני כן, היה לנו רק מידע על קווי הרוחב של כוכבי הלכת האלה. עם זה, נוכל ליצור מקסימום שתי רמות של חֲפִיפָה. לא היה לנו מספיק מידע כדי לערום אותם לארבעה. עכשיו, יש לנו גם קו אורך. זה המידע שאנחנו צריכים כדי לתפעל פוטונים בצורה משולבת ולהשיג גידול ממדי. אנחנו מתאמים כל אחד סיבוב כוכב הלכת וסובב והחזיק את שני כוכבי הלכת ביחס אסטרטגי זה לזה."
ליאנג פנג, פרופסור במחלקות למדע והנדסת חומרים (MSE), אמר, "יש הרבה חשש שהצפנה מתמטית, מורכבת ככל שתהיה, תהפוך לפחות ופחות יעילה בגלל שאנחנו מתקדמים כל כך מהר בטכנולוגיות מחשוב. ההסתמכות של תקשורת קוונטית על מחסומים פיזיים ולא מתמטיים הופכת אותה לחסינה מפני איומים עתידיים אלה. חשוב מתמיד שנמשיך לפתח ולשכלל טכנולוגיות תקשורת קוונטית".
עיון ביומן:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. מיקרולייזר ספין-מסלול הפולט בחלל הילברט ארבעה ממדי. טבע (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
