光デバイスおよびシステムの急速な発展にもかかわらず、厳しい要件を満たす十分な再構成可能性が欠如しているため、オンチップ情報技術はほとんど 2 レベルのシステムに限定されています。最近出現したベクトルレーザーやマイクロキャビティの次元拡大に多大な努力が払われているにもかかわらず、多様化した高次元の光の重ね合わせ状態をオンデマンドで積極的に調整することは依然として課題です。
からの科学者 ペン エンジニアリングにより、既存の安全性と堅牢性を上回る超次元のスピン軌道マイクロレーザー チップが作成されました。 量子通信 ハードウェア。彼らのシステムは通信に「qudits」を使用し、以前のオンチップレーザーの量子情報空間を2倍にします。
高度な量子デバイスの使用 キュビット、同時に 1 と 0 の両方になることができるデジタル情報の単位。量子力学では、この同時状態を「重ね合わせ」と呼びます。 XNUMX レベルを超える重ね合わせ状態にある量子ビットは、これらの追加の次元を通知するために qudit と呼ばれます。
新しいデバイスは 4 レベルの qudits を使用しており、これにより大幅な進歩が可能になります。 量子暗号。さらに、このデバイスは 4 つのレベルの重ね合わせを提供し、さらなる次元の増加への扉を開きます。
材料科学工学 (MSE) 博士研究員 Zhifeng Zhang 氏は次のように述べています。 「最大の課題は、標準セットアップの複雑さと拡張性のなさでした。これらの 4 準位システムを生成する方法はすでにわかっていましたが、次元の増加に関連するすべてのパラメーターを制御するには、実験室とさまざまな光学ツールが必要でした。私たちの目標は、これを単一チップで実現することでした。そしてそれがまさに私たちがやったことなのです。」
超次元スピン軌道マイクロレーザーは、光子の軌道角運動量（OAM）を敏感に制御する渦マイクロレーザーを用いたグループの過去の研究を前進させるものである。最近のデバイスは、以前のレーザーの機能にフォトニックスピンの制御を追加します。
この追加レベルの制御、つまり OAM とスピンを操作および結合できることは、4 レベル システムの達成を可能にした画期的な点です。
チームの研究の主な実験的成果は、統合フォトニクスにおける量子ビットの作成を妨げていたすべてのパラメータを同時に制御したことです。
ESE博士号学生のチャオ・ハオキさんはこう語った。 「私たちの光子の量子状態を、積み重ねられた 2 つの惑星と考えてください。以前は、これらの惑星の緯度に関する情報しかありませんでした。これにより、最大 2 つのレベルの 重畳。 4 つにまとめるのに十分な情報がありませんでした。さて、経度もあります。これは、光子を組み合わせて操作し、次元の増加を達成するために必要な情報です。それぞれコーディネートさせていただきます 惑星の自転 そして2つの惑星を互いに戦略的な関係で回転させて保持します。」
Liang Feng 氏、材料科学工学部 (MSE) 教授、 と, 「コンピューティング技術は急速に進歩しているため、どんなに複雑であっても、数学的暗号化の効果がますます低下するのではないかという大きな懸念があります。量子通信は数学的障壁ではなく物理的障壁に依存しているため、これらの将来の脅威に対して耐性があります。量子通信技術の開発と改良を続けることがこれまで以上に重要です。」
ジャーナルリファレンス：
- Zhang、Z.、Zhao、H.、Wu、S. 他。 4次元ヒルベルト空間で発光するスピン軌道マイクロレーザー。 自然 （2022）。 DOI： 10.1038 / s41586-022-05339-z
