Normalmente, a informação é “escrita” no momento angular de rotação de um fóton em sistemas de comunicação quântica. Nesse cenário, os fótons fazem uma rotação circular para a direita ou para a esquerda ou se combinam para produzir um movimento bidimensional. qubit, uma superposição quântica dos dois. As informações também podem ser armazenadas no momento angular orbital de um fóton, o caminho do saca-rolhas que a luz percorre à medida que avança enquanto cada fóton circunda o centro do feixe.
Qubits e qudits propagam informações armazenadas em fótons de um ponto a outro. A principal diferença é que os qudits podem transportar muito mais informações na mesma distância do que os qubits, fornecendo a base para turbinar a próxima geração comunicação quântica.
Em um novo estudo, cientistas quânticos da Stevens Institute of Technology demonstraram um método para codificar mais informações em um único fóton, abrindo a porta para ferramentas de comunicação quântica ainda mais rápidas e poderosas. Eles também mostram que podem criar e controlar qudits voadores individuais, ou fótons “twisty”, sob demanda.
Yichen Ma, um estudante de pós-graduação do Strauf's NanoPhotonics Lab, disse: “Normalmente, o momento angular de rotação e o momento angular orbital são propriedades independentes de um fóton. Nosso dispositivo é o primeiro a demonstrar o controle simultâneo de ambas as propriedades por meio do acoplamento controlado entre as duas. É muito importante termos mostrado que podemos fazer isso com fótons únicos em vez de feixes de luz clássicos, que é o requisito básico para qualquer aplicação de comunicação quântica”.
“Codificar informações em momento angular orbital aumenta radicalmente as informações que podem ser transmitidas. Aproveitar os fótons “torcidos” pode aumentar a largura de banda das ferramentas de comunicação quântica, permitindo que elas transmitam dados muito mais rapidamente”.
Os cientistas usaram um filme de disseleneto de tungstênio com espessura de átomo para criar fótons sinuosos para criar um emissor quântico capaz de emitir fótons únicos. Em seguida, eles acoplaram o emissor quântico em um espaço internamente reflexivo em forma de rosquinha chamado ressonador de anel. Ao ajustar o arranjo do emissor e do ressonador em forma de engrenagem, é possível alavancar a interação entre o giro do fóton e seu momento angular orbital para criar fótons “torcidos” individuais sob demanda.
A chave para habilitar essa funcionalidade de bloqueio de momento de rotação depende do padrão em forma de engrenagem do ressonador de anel, que, quando cuidadosamente projetado no design, cria o feixe de luz em vórtice sinuoso que o dispositivo dispara no velocidade da luz.
Ao integrar esses recursos em um único microchip medindo apenas 20 mícrons de diâmetro - cerca de um quarto da largura de um cabelo humano — a equipe criou um emissor de fótons sinuosos capaz de interagir com outros componentes padronizados como parte de um sistema de comunicações quânticas.
Ma dito, “Alguns desafios importantes permanecem. Embora a tecnologia da equipe possa controlar a direção na qual uma espiral de fótons – no sentido horário ou anti-horário – é necessário mais trabalho para controlar o número exato do modo de momento angular orbital. Essa capacidade crítica permitirá que uma gama teoricamente infinita de diferentes valores sejam “escritos” e posteriormente extraídos de um único fóton. Os últimos experimentos no Laboratório de Nanofotônica de Strauf mostram resultados promissores de que esse problema pode ser superado em breve”.
“Mais trabalho também é necessário para criar um dispositivo que possa criar fótons retorcidos com propriedades quânticas rigorosamente consistentes, ou seja, fótons indistinguíveis – um requisito fundamental para permitir a internet quântica. Esses desafios afetam todos os que trabalham com fotônica quântica e podem exigir avanços na ciência dos materiais para serem resolvidos”.
“Muitos desafios estão por vir. Mas mostramos o potencial para criar fontes de luz quântica que são mais versáteis do que qualquer coisa anteriormente possível”.
Jornal de referência:
- Yichen Ma et al., Bloqueio de órbita de rotação no chip de emissores quânticos em materiais 2D para emissão quiral, Optica (2022). DOI: 10.1364/ÓPTICA.463481
