Ondanks de snelle ontwikkeling van fotonische apparaten en systemen zijn informatietechnologieën op de chip meestal beperkt tot systemen met twee niveaus, vanwege het gebrek aan voldoende herconfigureerbaarheid om aan de strenge eisen te voldoen. Zelfs met uitgebreide inspanningen gericht op recentelijk verschenen vectorlasers en microcaviteiten om de dimensionaliteit te vergroten, blijft het een uitdaging om de gediversifieerde, hoogdimensionale superpositietoestanden van licht op verzoek actief af te stemmen.
Wetenschappers uit Penn Engineering heeft een hyperdimensionale, spin-orbit microlaserchip gecreëerd die de veiligheid en robuustheid van het bestaande overtreft kwantumcommunicatie hardware. Hun systeem maakt gebruik van ‘qudits’ voor communicatie, waardoor de kwantuminformatieruimte van eerdere on-chip-lasers wordt verdubbeld.
Geavanceerde kwantumapparaten gebruiken qubits, eenheden van digitale informatie die tegelijkertijd 1 en 0 kunnen zijn. In de kwantummechanica wordt deze toestand van gelijktijdigheid ‘superpositie’ genoemd. Een kwantumbit in een superpositietoestand van meer dan twee niveaus wordt een qudit genoemd om deze extra dimensies te signaleren.
Het nieuwe apparaat maakt gebruik van qudits op vier niveaus die aanzienlijke vooruitgang mogelijk maken kwantumcryptografie. Bovendien biedt het apparaat vier superpositieniveaus en opent het de deur naar verdere dimensievergroting.
Materials Science and Engineering (MSE) postdoctoraal collega Zhifeng Zhang zei: “De grootste uitdaging was de complexiteit en niet-schaalbaarheid van de standaardopstelling. We wisten al hoe we deze systemen met vier niveaus moesten genereren, maar er waren een laboratorium en veel verschillende optische hulpmiddelen voor nodig om alle parameters te controleren die verband hielden met de toename in dimensie. Ons doel was om dit op één enkele chip te bereiken. En dat is precies wat wij deden.”
De hyperdimensionale spin-orbit-microlaser bevordert het eerdere werk van de groep met vortex-microlasers, die op gevoelige wijze het orbitale hoekmomentum (OAM) van fotonen reguleren. Het recente apparaat voegt controle over fotonische spin toe aan de mogelijkheden van de voorgaande laser.
Dit extra niveau van controle – het kunnen manipuleren en koppelen van OAM en spin – is de doorbraak die hen in staat heeft gesteld een systeem met vier niveaus te bereiken.
De belangrijkste experimentele prestatie van het werk van het team is de gelijktijdige controle van alle parameters die de creatie van qudit in geïntegreerde fotonica hadden verhinderd.
ESE Ph.D. student Haoqi Zhao zei: “Denk aan de kwantumtoestanden van onze fotonen als twee op elkaar gestapelde planeten. Vroeger hadden we alleen informatie over de breedtegraden van deze planeten. Daarmee zouden we maximaal twee niveaus kunnen creëren superpositie. We hadden niet genoeg informatie om ze in vier te verdelen. Nu hebben we ook de lengtegraad. Dit is de informatie die we nodig hebben om fotonen op een gekoppelde manier te manipuleren en dimensionale toename te bereiken. Wij coördineren elk rotatie van de planeet en draai en houd de twee planeten in strategische relatie ten opzichte van elkaar.
Liang Feng, hoogleraar bij de afdelingen Materials Science and Engineering (MSE), zei, “Er bestaat veel bezorgdheid dat wiskundige encryptie, hoe complex ook, steeds minder effectief zal worden omdat we zo snel vooruitgang boeken op het gebied van computertechnologieën. De afhankelijkheid van kwantumcommunicatie van fysieke in plaats van wiskundige barrières maakt haar immuun voor deze toekomstige bedreigingen. Het is belangrijker dan ooit dat we kwantumcommunicatietechnologieën blijven ontwikkelen en verfijnen.”
Journal Reference:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Spin-orbit microlaser die uitzendt in een vierdimensionale Hilbertruimte. NATUUR (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
