Zwykle informacje są „zapisywane” w spinowym momencie pędu fotonu w kwantowych systemach komunikacyjnych. W tym scenariuszu fotony wykonują obrót kołowy w prawo lub w lewo lub łączą się, tworząc dwuwymiarowy qubit, kwantowa superpozycja tych dwóch. Informacje mogą być również przechowywane na orbitalnym momencie pędu fotonu, światło korkociągu porusza się w miarę postępu, podczas gdy każdy foton okrąża środek wiązki.
Kubity i kudyty propagują informacje przechowywane w fotonach z jednego punktu do drugiego. Główna różnica polega na tym, że kubity mogą przenosić znacznie więcej informacji na tę samą odległość niż kubity, co stanowi podstawę do turbodoładowania nowej generacji komunikacja kwantowa.
W nowym badaniu naukowcy kwantowi w Stevens Institute of Technology zademonstrowali metodę kodowania większej ilości informacji w pojedynczym fotonie, otwierając drzwi jeszcze szybszym i potężniejszym narzędziom komunikacji kwantowej. Pokazują również, że mogą tworzyć i kontrolować na żądanie pojedyncze latające qudity, czyli „skręcone” fotony.
Yichen Ma, absolwent Laboratorium Nanofotoniki Strauf, powiedział: „Normalnie spinowy moment pędu i orbitalny moment pędu są niezależnymi właściwościami fotonu. Nasze urządzenie jako pierwsze demonstruje równoczesną kontrolę obu właściwości poprzez kontrolowane sprzężenie między nimi. To wielka sprawa, którą wykazaliśmy, że możemy to zrobić za pomocą pojedynczych fotonów, a nie klasycznych wiązek światła, co jest podstawowym wymogiem w każdej aplikacji komunikacji kwantowej”.
„Zakodowanie informacji w orbitalny moment pędu radykalnie zwiększa ilość informacji, które mogą być przesyłane. Wykorzystanie „skręconych” fotonów może zwiększyć przepustowość narzędzi komunikacji kwantowej, umożliwiając im znacznie szybsze przesyłanie danych”.
Naukowcy wykorzystali warstwę diselenku wolframu o grubości jednego atomu, aby stworzyć poskręcane fotony w celu stworzenia emitera kwantowego zdolnego do emitowania pojedynczych fotonów. Następnie połączyli emiter kwantowy w wewnętrznie odbijającej przestrzeni w kształcie pączka, zwanej rezonatorem pierścieniowym. Dostrajając rozmieszczenie emitera i rezonatora w kształcie koła zębatego, można wykorzystać interakcję między spinem fotonu a jego orbitalnym momentem pędu, aby na żądanie tworzyć pojedyncze „skręcone” fotony.
Kluczem do włączenia tej funkcji blokowania momentu obrotowego jest wzór w kształcie koła zębatego rezonatora pierścieniowego, który, starannie zaprojektowany w projekcie, tworzy skręconą wirową wiązkę światła, którą urządzenie wystrzeliwuje w kierunku prędkość światła.
Integrując te możliwości w pojedynczy mikrochip o średnicy zaledwie 20 mikronów — około jednej czwartej szerokości a ludzki włos — zespół stworzył skręcony emiter fotonów zdolny do interakcji z innymi ustandaryzowanymi komponentami w ramach kwantowego systemu komunikacyjnego.
Ma powiedziany, „Niektóre kluczowe wyzwania pozostają. Chociaż technologia zespołu może kontrolować kierunek, w którym spirala fotonowa — zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara — potrzeba więcej pracy, aby kontrolować dokładną liczbę modów orbitalnego momentu pędu. Ta krytyczna zdolność umożliwi „zapisanie” teoretycznie nieskończonego zakresu różnych wartości, a następnie wydobycie ich z pojedynczego fotonu. Najnowsze eksperymenty w Nanophotonics Lab firmy Strauf pokazują obiecujące wyniki, że problem ten można wkrótce przezwyciężyć”.
„Potrzebne są również dalsze prace, aby stworzyć urządzenie, które może wytwarzać skręcone fotony o ściśle spójnych właściwościach kwantowych, tj. fotony nie do odróżnienia – kluczowy wymóg umożliwiający Internet kwantowy. Takie wyzwania dotykają wszystkich pracujących w fotonice kwantowej, a ich rozwiązanie może wymagać przełomu w materiałoznawstwie”.
„Przed nami wiele wyzwań. Ale pokazaliśmy potencjał tworzenia kwantowych źródeł światła, które są bardziej wszechstronne niż wszystko, co wcześniej było możliwe”.
Referencje czasopisma:
- Yichen Ma i in., Blokowanie na chipie spin-orbita emiterów kwantowych w materiałach 2D do emisji chiralnej, optyka (2022). DOI: 10.1364/OPTYKA.463481
