Til tross for den raske utviklingen av fotoniske enheter og systemer, er informasjonsteknologier på brikken stort sett begrenset til to-nivå systemer på grunn av mangelen på tilstrekkelig rekonfigurerbarhet for å tilfredsstille det strenge kravet. Selv med omfattende innsats dedikert til nylig fremkomne vektorlasere og mikrohulrom for å utvide dimensjonaliteter, er det fortsatt en utfordring å aktivt justere de diversifiserte, høydimensjonale superposisjonstilstandene for lys etter behov.
Forskere fra Penn Engineering har laget en hyperdimensjonal, spin-orbit mikrolaserbrikke som overgår sikkerheten og robustheten til eksisterende kvantekommunikasjon maskinvare. Systemet deres bruker "qudits" for kommunikasjon, og dobler kvanteinformasjonsrommet til tidligere lasere på brikken.
Bruk av avanserte kvanteenheter qubits, enheter av digital informasjon som kan være både 1 og 0 samtidig. I kvantemekanikk kalles denne tilstanden av samtidighet "superposisjon". En kvantebit i en tilstand av superposisjon større enn to nivåer kalles en qudit for å signalisere disse ekstra dimensjonene.
Den nye enheten bruker fire-nivå qudits som muliggjør betydelige fremskritt i kvantekryptografi. Dessuten tilbyr enheten fire nivåer av superposisjon og åpner døren for ytterligere dimensjonsøkninger.
Materials Science and Engineering (MSE) postdoktor Zhifeng Zhang sa, "Den største utfordringen var kompleksiteten og ikke-skalerbarheten til standardoppsettet. Vi visste allerede hvordan vi skulle generere disse fire-nivå systemene, men det krevde et laboratorium og mange forskjellige optiske verktøy for å kontrollere alle parameterne knyttet til økningen i dimensjon. Målet vårt var å oppnå dette på en enkelt brikke. Og det er akkurat det vi gjorde."
Den hyperdimensjonale spin-orbit-mikrolaseren fremmer gruppens tidligere arbeid med virvelmikrolasere, som følsomt regulerer fotons orbital vinkelmoment (OAM). Den nylige enheten legger til kontroll over fotonisk spinn til den foregående laserens muligheter.
Dette ekstra kontrollnivået – å kunne manipulere og koble OAM og spinn – er gjennombruddet som tillot dem å oppnå et fire-nivå system.
Den viktigste eksperimentelle prestasjonen av teamets arbeid er samtidig kontroll av alle parameterne som hadde forhindret qudit-oppretting i integrert fotonikk.
ESE Ph.D. student Haoqi Zhao sa, "Tenk på kvantetilstandene til fotonene våre som to planeter stablet oppå hverandre. Før hadde vi bare informasjon om disse planetenes breddegrader. Med det kunne vi lage maksimalt to nivåer av super. Vi hadde ikke nok informasjon til å stable dem i fire. Nå har vi også lengdegrad. Dette er informasjonen vi trenger for å manipulere fotoner på en koblet måte og oppnå dimensjonal økning. Vi koordinerer hver planetens rotasjon og spinn og hold de to planetene i strategisk forhold til hverandre.»
Liang Feng, professor ved Institutt for materialvitenskap og ingeniørvitenskap (MSE), sa, "Det er mye bekymring for at matematisk kryptering, uansett hvor kompleks den er, vil bli mindre og mindre effektiv fordi vi går så raskt videre innen datateknologi. Kvantekommunikasjonens avhengighet av fysiske snarere enn matematiske barrierer gjør den immun mot disse fremtidige truslene. Det er viktigere enn noen gang at vi fortsetter å utvikle og foredle kvantekommunikasjonsteknologier."
Tidsreferanse:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Spin-orbit mikrolaser som sender ut i et firedimensjonalt Hilbert-rom. Natur (2022). GJØR JEG: 10.1038 / s41586-022-05339-z
