Apesar do rápido desenvolvimento de dispositivos e sistemas fotônicos, as tecnologias de informação on-chip estão principalmente limitadas a sistemas de dois níveis devido à falta de reconfigurabilidade suficiente para satisfazer os requisitos rigorosos. Mesmo com extensos esforços dedicados a lasers vetoriais e microcavidades recentemente surgidos para expandir as dimensionalidades, continua sendo um desafio sintonizar ativamente os estados de superposição de luz diversificados e de alta dimensão sob demanda.
Cientistas de Penn A Engenharia criou um chip microlaser hiperdimensional, spin-órbita, que supera a segurança e a robustez dos existentes comunicações quânticas hardware. Seu sistema usa “qudits” para comunicação, duplicando o espaço de informação quântica dos primeiros lasers no chip.
Uso de dispositivos quânticos avançados qubits, unidades de informação digital capazes de ser 1 e 0 simultaneamente. Na mecânica quântica, esse estado de simultaneidade é chamado de “superposição”. Um bit quântico em estado de superposição superior a dois níveis é chamado de qudit para sinalizar essas dimensões adicionais.
O novo dispositivo usa qudits de quatro níveis que permitem avanços significativos na criptografia quântica. Além disso, o dispositivo oferece quatro níveis de superposição e abre a porta para novos aumentos de dimensão.
O pós-doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais (MSE), Zhifeng Zhang, disse: “O maior desafio foi a complexidade e a não escalabilidade da configuração padrão. Já sabíamos como gerar esses sistemas de quatro níveis, mas era necessário um laboratório e muitas ferramentas ópticas diferentes para controlar todos os parâmetros associados ao aumento de dimensão. Nosso objetivo era conseguir isso em um único chip. E foi exatamente isso que fizemos.”
O microlaser hiperdimensional spin-órbita avança o trabalho anterior do grupo com microlasers de vórtice, que regulam sensivelmente o momento angular orbital (OAM) dos fótons. O dispositivo recente adiciona controle sobre o spin fotônico às capacidades do laser anterior.
Este nível adicional de controle – ser capaz de manipular e acoplar OAM e spin – é o avanço que lhes permitiu alcançar um sistema de quatro níveis.
A principal conquista experimental do trabalho da equipe é o controle simultâneo de todos os parâmetros que impediam a criação de qudit em fotônica integrada.
ESE Ph.D. o estudante Haoqi Zhao disse, “Pense nos estados quânticos dos nossos fótons como dois planetas empilhados um sobre o outro. Antes só tínhamos informações sobre as latitudes desses planetas. Com isso, poderíamos criar no máximo dois níveis de sobreposição. Não tínhamos informações suficientes para empilhá-los em quatro. Agora, também temos longitude. Esta é a informação que precisamos para manipular os fótons de forma acoplada e obter aumento dimensional. Nós coordenamos cada rotação do planeta e girar e manter os dois planetas em relação estratégica um com o outro.”
Liang Feng, professor dos Departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE), dito, “Há muita preocupação de que a criptografia matemática, por mais complexa que seja, se tornará cada vez menos eficaz porque estamos avançando muito rapidamente nas tecnologias de computação. A dependência da comunicação quântica em barreiras físicas, em vez de barreiras matemáticas, torna-a imune a estas ameaças futuras. É mais importante do que nunca continuarmos a desenvolver e refinar tecnologias de comunicação quântica.”
Jornal de referência:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Microlaser spin-órbita emitindo em um espaço de Hilbert quadridimensional. Natureza (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
