Gewoonlijk wordt informatie "geschreven" op het draaiimpulsmoment van een foton in kwantumcommunicatiesystemen. In dit scenario doen fotonen een cirkelvormige rotatie naar rechts of links of combineren ze om een tweedimensionale beweging te produceren qubit, een kwantumsuperpositie van de twee. Er kan ook informatie worden opgeslagen over het baanimpulsmoment van een foton, het pad van de kurkentrekker terwijl het voortbeweegt, terwijl elk foton het midden van de straal omcirkelt.
Qubits en qudits verspreiden informatie die is opgeslagen in fotonen van het ene punt naar het andere. Het belangrijkste verschil is dat qudits veel meer informatie over dezelfde afstand kunnen vervoeren dan qubits, wat de basis vormt voor turbolading van de volgende generatie kwantumcommunicatie.
In een nieuwe studie, kwantumwetenschappers van Stevens Institute of Technology hebben een methode gedemonstreerd voor het coderen van meer informatie in een enkel foton, waardoor de deur wordt geopend voor nog snellere en krachtigere kwantumcommunicatietools. Ze laten ook zien dat ze op verzoek individuele vliegende qudits of "kronkelende" fotonen kunnen creëren en besturen.
Yichen Ma, een afgestudeerde student in Strauf's NanoPhotonics Lab, zei: “Normaal gesproken zijn het draaiimpulsmoment en het baanimpulsmoment onafhankelijke eigenschappen van een foton. Ons apparaat is het eerste dat de gelijktijdige besturing van beide eigenschappen demonstreert via de gecontroleerde koppeling tussen de twee. Het is een groot probleem dat we hebben laten zien dat we dit kunnen doen met enkele fotonen in plaats van met klassieke lichtstralen, wat de basisvereiste is voor elke kwantumcommunicatietoepassing.”
"Het coderen van informatie in orbitaal impulsmoment verhoogt de informatie die kan worden verzonden radicaal. Het gebruik van "bochtige" fotonen zou de bandbreedte van kwantumcommunicatietools kunnen vergroten, waardoor ze veel sneller gegevens kunnen verzenden."
Wetenschappers gebruikten een atoomdikke film van wolfraamdiselenide om bochtige fotonen te creëren om een kwantumzender te creëren die in staat is om enkele fotonen uit te zenden. Vervolgens koppelden ze de kwantumzender in een intern reflecterende donutvormige ruimte die een ringresonator wordt genoemd. Door de opstelling van de zender en de tandwielvormige resonator nauwkeurig af te stemmen, is het mogelijk om de interactie tussen de spin van het foton en zijn baanimpulsmoment te benutten om op verzoek individuele "bochtige" fotonen te creëren.
De sleutel tot het inschakelen van deze spin-momentum-vergrendelingsfunctionaliteit is afhankelijk van het tandwielvormige patroon van de ringresonator, die, wanneer zorgvuldig ontworpen in het ontwerp, de kronkelige wervelende lichtstraal creëert die het apparaat naar de lichtsnelheid.
Door deze mogelijkheden te integreren in een enkele microchip van slechts 20 micron – ongeveer een kwart van de breedte van een menselijk haar - het team heeft een bochtige fotonenzender gemaakt die in staat is om te communiceren met andere gestandaardiseerde componenten als onderdeel van een kwantumcommunicatiesysteem.
Ma zei, “Er blijven enkele belangrijke uitdagingen bestaan. Hoewel de technologie van het team de richting kan bepalen waarin een fotonspiraal - met de klok mee of tegen de klok in - is, is er meer werk nodig om het exacte orbitale impulsmomentmodusnummer te regelen. Dat kritische vermogen zal het mogelijk maken dat een theoretisch oneindige reeks van verschillende waarden kan worden "geschreven" in en later kan worden geëxtraheerd uit een enkel foton. De nieuwste experimenten in het Nanophotonics Lab van Strauf laten veelbelovende resultaten zien dat dit probleem snel kan worden overwonnen.”
"Verder werk is ook nodig om een apparaat te maken dat gedraaide fotonen kan creëren met rigoureus consistente kwantumeigenschappen, dat wil zeggen niet te onderscheiden fotonen - een belangrijke vereiste om de kwantum internet. Dergelijke uitdagingen treffen iedereen die in kwantumfotonica werkt en kunnen doorbraken in de materiaalwetenschap vereisen om ze op te lossen.”
“Er liggen veel uitdagingen in het verschiet. Maar we hebben het potentieel laten zien voor het creëren van kwantumlichtbronnen die veelzijdiger zijn dan alles wat voorheen mogelijk was.”
Journal Reference:
- Yichen Ma et al., On-chip spin-orbit-vergrendeling van kwantumzenders in 2D-materialen voor chirale emissie, optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
