通常、量子通信システムでは、情報は光子のスピン角運動量に「書き込まれる」。 このシナリオでは、フォトンは右または左の円回転を行うか、結合して XNUMX 次元を生成します。 キュービット、XNUMX つの量子重ね合わせ。 情報は、光子の軌道角運動量、つまり各光子がビームの中心を周回しながら進む際に光がたどる経路にも保存できます。
量子ビットと量子ビットは、光子に保存された情報をある点から別の点に伝播します。 主な違いは、量子ビットは量子ビットよりも同じ距離ではるかに多くの情報を運ぶことができ、次世代をターボチャージャーするための基盤を提供することです。 量子通信.
新しい研究では、量子科学者たちは、 スティーブンス工業技術大学 彼らは、より多くの情報を単一の光子にエンコードする方法を実証し、さらに高速で強力な量子通信ツールへの扉を開きました。 また、個々の飛行クディット、つまり「ツイスティ」フォトンをオンデマンドで作成および制御できることも示しています。
シュトラウフのナノフォトニクス研究室の大学院生、イーチェン・マー氏はこう語った。 「通常、スピン角運動量と軌道角運動量は光子の独立した特性です。 私たちのデバイスは、XNUMX つの特性間の結合制御による両方の特性の同時制御を初めて実証しました。 あらゆる量子通信アプリケーションの基本要件である古典的な光ビームではなく、単一光子を使用してこれを実行できることを示したのは大きな意味があります。」
「情報を軌道角運動量にエンコードすると、送信できる情報が大幅に増加します。 「ツイスティ」光子を活用すれば、量子通信ツールの帯域幅が向上し、より高速にデータを送信できるようになる可能性があります。」
科学者たちは、二セレン化タングステンの原子の厚さの膜を使用してねじれた光子を生成し、単一光子を放出できる量子エミッターを作成しました。 次に、リング共振器と呼ばれる内部反射型のドーナツ型空間に量子エミッターを結合しました。 エミッターと歯車型共振器の配置を微調整することで、光子のスピンと軌道角運動量の間の相互作用を利用して、オンデマンドで個々の「ねじれた」光子を生成することが可能になります。
このスピンの勢いをロックする機能を可能にする鍵は、リング共振器の歯車状のパターンに依存しており、これを注意深く設計すると、デバイスが先端に向けて発射する曲がりくねった渦巻きの光線が生成されます。 光の速度.
これらの機能を、幅わずか 20 ミクロン、つまりチップの幅の約 XNUMX 分の XNUMX の単一のマイクロチップに統合することで、 人間の髪の毛 —チームは、量子通信システムの一部として他の標準化されたコンポーネントと相互作用できるツイスティフォトンエミッターを作成しました。
Ma と, 「いくつかの重要な課題が残っています。 チームの技術は光子の螺旋の方向（時計回りまたは反時計回り）を制御できるが、正確な軌道角運動量モード数を制御するにはさらに多くの作業が必要である。 この重要な機能により、理論的には無限の範囲のさまざまな値を単一の光子に「書き込み」、後で単一の光子から抽出できるようになります。 シュトラウフのナノフォトニクス研究室での最新の実験は、この問題がすぐに克服できるという有望な結果を示しています。」
「厳密に一貫した量子特性を持つねじれた光子、つまり区別できない光子を生成できるデバイスを作成するには、さらなる研究が必要です。これは、 量子インターネット。 このような課題は量子フォトニクスに取り組むすべての人に影響を及ぼし、解決するには材料科学のブレークスルーが必要になる可能性があります。」
「この先には多くの課題が待ち構えています。 しかし、私たちはこれまでに可能だったものよりも汎用性の高い量子光源を作成できる可能性を示しました。」
ジャーナルリファレンス：
- Yichen Ma et al.、キラル発光のための 2D 材料における量子エミッターのオンチップスピン軌道ロック、 オプティカ （2022）。 DOI： 10.1364 / OPTICA.463481
