În ciuda dezvoltării rapide a dispozitivelor și sistemelor fotonice, tehnologiile informaționale pe cip sunt în mare parte limitate la sisteme cu două niveluri din cauza lipsei de reconfigurabilitate suficientă pentru a satisface cerințele stricte. Chiar și cu eforturi extinse dedicate laserelor vectoriale și microcavități recent apărute pentru a extinde dimensionalitățile, rămâne o provocare să reglați activ stările de suprapunere diversificate, de înaltă dimensiune a luminii la cerere.
Oamenii de știință de la Penn Ingineria a creat un cip microlaser hiperdimensional, cu orbită de rotație, care depășește securitatea și robustețea celor existente comunicații cuantice hardware. Sistemul lor folosește „qudit-uri” pentru comunicare, dublând spațiul informațional cuantic al laserelor anterioare pe cip.
Utilizarea dispozitivelor cuantice avansate qubiti, unități de informații digitale capabile să fie atât 1 cât și 0 simultan. În mecanica cuantică, această stare de simultaneitate se numește „suprapunere”. Un bit cuantic într-o stare de suprapunere mai mare de două niveluri este numit qudit pentru a semnala aceste dimensiuni suplimentare.
Noul dispozitiv folosește qudit-uri pe patru niveluri care permit progrese semnificative în domeniul criptografia cuantică. Mai mult, dispozitivul oferă patru niveluri de suprapunere și deschide ușa către creșteri suplimentare de dimensiune.
Cercetătorul postdoctoral de Știința și Ingineria Materialelor (MSE) Zhifeng Zhang a spus: „Cea mai mare provocare a fost complexitatea și nescalabilitatea configurației standard. Știam deja cum să generăm aceste sisteme pe patru niveluri, dar a necesitat un laborator și multe instrumente optice diferite pentru a controla toți parametrii asociați cu creșterea dimensiunii. Scopul nostru a fost să realizăm acest lucru pe un singur cip. Și exact asta am făcut.”
Microlaserul hiperdimensional cu orbită spin-orbită avansează lucrările anterioare ale grupului cu microlasere vortex, care reglează în mod sensibil momentul unghiular orbital al fotonilor (OAM). Dispozitivul recent adaugă control asupra rotației fotonice la capacitățile laserului precedent.
Acest nivel suplimentar de control - a putea manipula și cupla OAM și spin - este descoperirea care le-a permis să realizeze un sistem cu patru niveluri.
Principala realizare experimentală a muncii echipei este controlul simultan al tuturor parametrilor care au împiedicat crearea de qudit în fotonica integrată.
ESE doctorat. studentul Haoqi Zhao a spus: „Gândiți-vă la stările cuantice ale fotonilor noștri ca două planete stivuite una peste alta. Înainte aveam doar informații despre latitudinile acestor planete. Cu asta, am putea crea maximum două niveluri de suprapunere. Nu aveam suficiente informații pentru a le stivui în patru. Acum, avem și longitudine. Aceasta este informația de care avem nevoie pentru a manipula fotonii într-un mod cuplat și pentru a obține o creștere dimensională. Coordonăm fiecare rotația planetei și rotește și ține cele două planete în relație strategică una cu cealaltă.”
Liang Feng, profesor la Departamentele de Știința și Ingineria Materialelor (MSE), a spus, „Există multă îngrijorare că criptarea matematică, indiferent cât de complexă, va deveni din ce în ce mai puțin eficientă, deoarece avansăm atât de repede în tehnologiile de calcul. Dependența comunicării cuantice de bariere fizice, mai degrabă decât matematice, o face imună la aceste amenințări viitoare. Este mai important ca oricând să continuăm să dezvoltăm și să perfecționăm tehnologiile de comunicare cuantică.”
Referința jurnalului:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. şi colab. Microlaser cu orbită rotativă care emite într-un spațiu Hilbert cu patru dimensiuni. Natură (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
