일반적으로 정보는 양자 통신 시스템에서 광자의 스핀 각운동량에 "기록"됩니다. 이 시나리오에서 광자는 오른쪽 또는 왼쪽 원형 회전을 수행하거나 결합하여 XNUMX차원 원형을 생성합니다. 큐빗, 둘의 양자 중첩. 정보는 광자의 궤도 각운동량, 즉 각 광자가 빔의 중심을 회전하는 동안 빛이 전진하는 코르크 경로 경로에 저장될 수도 있습니다.
큐비트와 큐디트는 광자에 저장된 정보를 한 지점에서 다른 지점으로 전파합니다. 주요 차이점은 큐디트는 큐비트보다 동일한 거리에서 훨씬 더 많은 정보를 전달할 수 있어 차세대 터보차징을 위한 기반을 제공한다는 것입니다. 양자 통신.
새로운 연구에서 양자 과학자들은 Stevens Institute of Technology 더 많은 정보를 단일 광자로 인코딩하는 방법을 시연하여 훨씬 더 빠르고 강력한 양자 통신 도구의 문을 열었습니다. 그들은 또한 필요에 따라 개별 비행 큐디트 또는 "뒤틀린" 광자를 생성하고 제어할 수 있음을 보여주었습니다.
Strauf NanoPhotonics Lab의 대학원생인 Yichen Ma는 다음과 같이 말했습니다. “일반적으로 스핀 각운동량과 궤도 각 운동량은 광자의 독립적인 특성입니다. 우리 장치는 두 속성 사이의 제어된 결합을 통해 두 속성의 동시 제어를 시연한 최초의 장치입니다. 모든 양자 통신 응용 분야의 기본 요구 사항인 고전적인 광선이 아닌 단일 광자로 이를 수행할 수 있다는 것을 보여준 것은 큰 일입니다.”
“정보를 궤도 각운동량으로 인코딩하면 전송할 수 있는 정보가 급격히 증가합니다. "뒤틀린" 광자를 활용하면 양자 통신 도구의 대역폭을 향상시켜 데이터를 훨씬 더 빠르게 전송할 수 있습니다."
과학자들은 원자 두께의 텅스텐 디셀레나이드 필름을 사용하여 단일 광자를 방출할 수 있는 양자 방출기를 만들기 위해 구불구불한 광자를 생성했습니다. 다음으로 그들은 링 공진기라고 불리는 내부 반사 도넛 모양의 공간에 양자 방출기를 결합했습니다. 방출기와 기어 모양 공진기의 배열을 미세 조정함으로써 광자의 스핀과 궤도 각 운동량 사이의 상호 작용을 활용하여 필요에 따라 개별적인 "구불구불한" 광자를 생성하는 것이 가능합니다.
이 스핀-운동량 잠금 기능을 활성화하는 열쇠는 링 공진기의 기어 모양 패터닝에 달려 있습니다. 이 공진기는 신중하게 설계할 때 장치가 발사하는 구불구불한 소용돌이 광선을 생성합니다. 빛의 속도.
이러한 기능을 폭이 20미크론(폭의 약 XNUMX분의 XNUMX)에 불과한 단일 마이크로칩에 통합함으로써 머리카락 — 팀은 양자 통신 시스템의 일부로 다른 표준화된 구성 요소와 상호 작용할 수 있는 비틀린 광자 방출기를 만들었습니다.
Ma 말했다, “몇 가지 주요 과제가 남아 있습니다. 팀의 기술은 광자 나선의 방향(시계 방향 또는 시계 반대 방향)을 제어할 수 있지만 정확한 궤도 각 운동량 모드 번호를 제어하려면 더 많은 작업이 필요합니다. 이러한 중요한 기능을 통해 이론적으로 무한한 범위의 다양한 값을 단일 광자에 "기록"하고 나중에 추출할 수 있습니다. Strauf 나노포토닉스 연구소의 최신 실험은 이 문제가 곧 극복될 수 있다는 유망한 결과를 보여줍니다.”
“엄격하게 일관된 양자 특성, 즉 구별할 수 없는 광자를 갖는 뒤틀린 광자를 생성할 수 있는 장치를 만들기 위해서는 추가 작업도 필요합니다. 양자 인터넷. 이러한 과제는 양자 포토닉스 분야에서 일하는 모든 사람에게 영향을 미치며 이를 해결하려면 재료 과학의 획기적인 발전이 필요할 수 있습니다.”
“앞으로 많은 어려움이 놓여 있습니다. 그러나 우리는 이전에 가능했던 것보다 더 다재다능한 양자 광원을 만들 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.”
저널 참조 :
- Yichen Ma et al., 키랄 방출을 위한 2D 재료의 양자 방출기의 온칩 스핀 궤도 잠금, Optica (2022). DOI : 10.1364/옵티카.463481
