Vanligvis blir informasjon "skrevet" på spinnvinkelmomentet til et foton i kvantekommunikasjonssystemer. I dette scenariet gjør fotoner enten en høyre- eller venstresirkulær rotasjon eller kombineres for å produsere en todimensjonal qubit, en kvantesuperposisjon av de to. Informasjon kan også lagres på et fotons orbitale vinkelmomentum, korketrekkerbanens lys tar mens det beveger seg mens hvert foton sirkler strålens sentrum.
Qubits og qudits forplanter informasjon lagret i fotoner fra ett punkt til et annet. Hovedforskjellen er at qudits kan bære mye mer informasjon over samme avstand enn qubits, og gir grunnlaget for neste generasjons turbolading kvantekommunikasjon.
I en ny studie har kvanteforskere ved Stevens Institute of Technology har demonstrert en metode for å kode mer informasjon til et enkelt foton, og åpner døren for enda raskere og kraftigere kvantekommunikasjonsverktøy. De viser også at de kan lage og kontrollere individuelle flygende qudits, eller "vridde" fotoner, på forespørsel.
Yichen Ma, en doktorgradsstudent ved Straufs NanoPhotonics Lab, sa: "Vanligvis er spinn vinkelmomentum og orbital vinkelmomentum uavhengige egenskaper til et foton. Vår enhet er den første som demonstrerer samtidig kontroll av begge egenskapene via den kontrollerte koblingen mellom de to. Det er en stor sak at vi har vist at vi kan gjøre dette med enkeltfotoner i stedet for klassiske lysstråler, som er det grunnleggende kravet for enhver kvantekommunikasjonsapplikasjon."
"Koding av informasjon til banevinkelmomentum øker radikalt informasjonen som kan overføres. Å utnytte "vridde" fotoner kan øke båndbredden til kvantekommunikasjonsverktøy, slik at de kan overføre data langt raskere."
Forskere brukte en atomtykk film av wolframdiselenid for å lage kronglete fotoner for å lage en kvantemitter som er i stand til å sende ut enkeltfotoner. Deretter koblet de kvanteemitteren i et internt reflekterende smultringformet rom kalt en ringresonator. Ved å finjustere arrangementet av emitteren og den tannhjulformede resonatoren, er det mulig å utnytte samspillet mellom fotonets spinn og dets orbitale vinkelmomentum for å lage individuelle "vridde" fotoner på forespørsel.
Nøkkelen til å aktivere denne spin-momentum-låsefunksjonaliteten er avhengig av det tannhjulsformede mønsteret til ringresonatoren, som, når den er nøye konstruert i designet, skaper den svingende virvelstrålen av lys som enheten skyter ut mot lysets hastighet.
Ved å integrere disse egenskapene i en enkelt mikrobrikke som måler bare 20 mikron på tvers - omtrent en fjerdedel av bredden til en menneskehår – teamet har laget en vri-foton-emitter som er i stand til å samhandle med andre standardiserte komponenter som en del av et kvantekommunikasjonssystem.
Ma sa, – Det gjenstår noen viktige utfordringer. Mens teamets teknologi kan kontrollere retningen som en fotonspiral - med eller mot klokken - er det nødvendig med mer arbeid for å kontrollere det eksakte nummeret for banevinkelmomentum. Den kritiske evnen vil gjøre det mulig å "skrive" et teoretisk uendelig utvalg av forskjellige verdier inn i og senere trekkes ut fra et enkelt foton. De siste eksperimentene i Straufs Nanophotonics Lab viser lovende resultater at dette problemet snart kan overvinnes.»
«Ytterligere arbeid er også nødvendig for å lage en enhet som kan lage vridde fotoner med strengt konsistente kvanteegenskaper, dvs. utskillelige fotoner – et nøkkelkrav for å muliggjøre kvanteinternett. Slike utfordringer påvirker alle som jobber med kvantefotonikk og kan kreve gjennombrudd innen materialvitenskap å løse.»
– Mange utfordringer ligger foran oss. Men vi har vist potensialet for å lage kvantelyskilder som er mer allsidige enn noe tidligere mulig."
Tidsreferanse:
- Yichen Ma et al., On-chip spin-orbit locking av kvantemittere i 2D-materialer for chiral emisjon, Optica (2022). GJØR JEG: 10.1364/OPTICA.463481
