Pomimo szybkiego rozwoju urządzeń i systemów fotonicznych, technologie informacyjne typu on-chip ograniczają się głównie do systemów dwupoziomowych ze względu na brak wystarczającej rekonfigurowalności, aby spełnić rygorystyczne wymagania. Nawet przy szeroko zakrojonych wysiłkach poświęconych niedawno powstałym laserom wektorowym i mikrownękom w celu poszerzenia wymiarów, aktywnym dostrojeniem zróżnicowanych, wysokowymiarowych stanów superpozycji światła na żądanie pozostaje wyzwaniem.
Naukowcy z Penn Inżynierowie stworzyli hiperwymiarowy chip mikrolasera na orbicie spinowej, który przewyższa bezpieczeństwo i solidność istniejących komunikacja kwantowa sprzęt komputerowy. Ich system wykorzystuje do komunikacji „qudity”, podwajając przestrzeń informacji kwantowej w porównaniu do wcześniejszych laserów wbudowanych w chipy.
Zaawansowane urządzenia kwantowe wykorzystują kubity, jednostki informacji cyfrowej, które mogą jednocześnie wynosić 1 i 0. W mechanice kwantowej ten stan jednoczesności nazywany jest „superpozycją”. Bit kwantowy w stanie superpozycji większym niż dwa poziomy nazywany jest quditem, który sygnalizuje te dodatkowe wymiary.
Nowe urządzenie wykorzystuje czteropoziomowe Qudity, które umożliwiają znaczny postęp w kryptografia kwantowa. Co więcej, urządzenie oferuje cztery poziomy superpozycji i otwiera drzwi do dalszego zwiększania wymiarów.
Zhifeng Zhang, doktorant w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii (MSE), powiedział: „Największym wyzwaniem była złożoność i brak skalowalności standardowej konfiguracji. Wiedzieliśmy już, jak wygenerować te czteropoziomowe systemy, ale wymagało to laboratorium i wielu różnych narzędzi optycznych, aby kontrolować wszystkie parametry związane ze wzrostem wymiaru. Naszym celem było osiągnięcie tego na jednym chipie. I właśnie to zrobiliśmy.”
Hiperwymiarowy mikrolaser spinowo-orbitalny stanowi kontynuację wcześniejszych prac grupy nad mikrolaserami wirowymi, które w czuły sposób regulują orbitalny moment pędu fotonów (OAM). Najnowsze urządzenie dodaje kontrolę nad spinem fotonicznym do możliwości poprzedniego lasera.
Ten dodatkowy poziom kontroli – możliwość manipulowania i łączenia OAM i spinu – stanowi przełom, który pozwolił im osiągnąć system czteropoziomowy.
Głównym osiągnięciem eksperymentalnym pracy zespołu jest jednoczesna kontrola wszystkich parametrów, które uniemożliwiały tworzenie quditów w fotonice zintegrowanej.
Doktorat ESE uczeń Haoqi Zhao powiedział: „Pomyśl o stanach kwantowych naszych fotonów jak o dwóch planetach ułożonych jedna na drugiej. Wcześniej dysponowaliśmy jedynie informacjami o szerokościach geograficznych tych planet. Dzięki temu moglibyśmy stworzyć maksymalnie dwa poziomy nałożenie. Nie mieliśmy wystarczających informacji, aby połączyć je w cztery. Teraz mamy także długość geograficzną. Jest to informacja, której potrzebujemy, aby manipulować fotonami w sposób sprzężony i osiągnąć wzrost wymiarowy. Koordynujemy każdy obrót planety oraz obróć i utrzymaj obie planety w strategicznym stosunku do siebie.”
Liang Feng, profesor na wydziałach inżynierii materiałowej i inżynierii (MSE), powiedziany, „Istnieje wiele obaw, że szyfrowanie matematyczne, niezależnie od tego, jak złożone, będzie coraz mniej skuteczne ze względu na szybki postęp w technologiach komputerowych. Oparcie komunikacji kwantowej na barierach fizycznych, a nie matematycznych, czyni ją odporną na przyszłe zagrożenia. Kontynuowanie rozwoju i udoskonalania technologii komunikacji kwantowej jest ważniejsze niż kiedykolwiek.”
Referencje czasopisma:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. i in. Mikrolaser spinowo-orbitalny emitujący w czterowymiarowej przestrzeni Hilberta. Natura (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
