De obicei, informațiile sunt „scrise” pe impulsul unghiular de rotație al unui foton în sistemele de comunicare cuantică. În acest scenariu, fotonii fie efectuează o rotație circulară la dreapta sau la stânga, fie se combină pentru a produce o formă bidimensională. qubit, o suprapunere cuantică a celor două. Informațiile pot fi, de asemenea, stocate pe momentul unghiular orbital al unui foton, lumina traseului tirbușonului o ia pe măsură ce avansează, în timp ce fiecare foton înconjoară centrul fasciculului.
Qubiții și quditurile propagă informațiile stocate în fotoni de la un punct la altul. Principala diferență este că qudit-urile pot transporta mult mai multe informații pe aceeași distanță decât qubiții, oferind baza pentru turboalimentarea următoarei generații. comunicare cuantică.
Într-un nou studiu, oamenii de știință cuantici de la Institutul de Tehnologie Stevens au demonstrat o metodă de codificare a mai multor informații într-un singur foton, deschizând ușa către instrumente de comunicare cuantică și mai rapide și mai puternice. Ei arată, de asemenea, că pot crea și controla qudit-uri individuale zburătoare sau fotoni „întorsători”, la cerere.
Yichen Ma, un student absolvent în Laboratorul de NanoPhotonics Strauf, a spus: „În mod normal, momentul unghiular de spin și momentul unghiular orbital sunt proprietăți independente ale unui foton. Dispozitivul nostru este primul care demonstrează controlul simultan al ambelor proprietăți prin cuplarea controlată între cele două. Este o mare problemă că am arătat că putem face acest lucru cu fotoni unici, mai degrabă decât cu fascicule de lumină clasice, care este cerința de bază pentru orice aplicație de comunicare cuantică.”
„Codificarea informațiilor în momentul unghiular orbital crește radical informațiile care pot fi transmise. Folosirea fotonilor „întortiți” ar putea crește lățimea de bandă a instrumentelor de comunicare cuantică, permițându-le să transmită date mult mai rapid.”
Oamenii de știință au folosit o peliculă groasă de atom de diseleniră de tungsten pentru a crea fotoni răsuciți pentru a crea un emițător cuantic capabil să emită fotoni unici. Apoi, au cuplat emițătorul cuantic într-un spațiu în formă de gogoașă reflectorizant intern numit rezonator inel. Prin reglarea fină a aranjamentului emițătorului și a rezonatorului în formă de angrenaj, este posibil să se valorifice interacțiunea dintre spinul fotonului și momentul unghiular orbital al acestuia pentru a crea fotoni individuali „întortiți” la cerere.
Cheia pentru activarea acestei funcționalități de blocare a impulsului de rotație se bazează pe modelul în formă de angrenaj al rezonatorului inel, care, atunci când este proiectat cu atenție în design, creează fasciculul de lumină întortocheat pe care dispozitivul îl aruncă către viteza luminii.
Prin integrarea acestor capacități într-un singur microcip care măsoară doar 20 de microni - aproximativ un sfert din lățimea unui păr de om — echipa a creat un emițător de fotoni răsucite capabil să interacționeze cu alte componente standardizate ca parte a unui sistem de comunicații cuantice.
Ma a spus, „Rămân câteva provocări cheie. În timp ce tehnologia echipei poate controla direcția în care o spirală fotonică - în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic - este nevoie de mai multă muncă pentru a controla numărul exact al modului de moment unghiular orbital. Această capacitate critică va permite ca o gamă teoretic infinită de valori diferite să fie „scrisă” și ulterior extrasă dintr-un singur foton. Cele mai recente experimente din Laboratorul de Nanofotonic al lui Strauf arată rezultate promițătoare că această problemă poate fi depășită în curând.”
„Sunt necesare, de asemenea, lucrări suplimentare pentru a crea un dispozitiv care poate crea fotoni răsuciți cu proprietăți cuantice riguros consistente, adică fotoni care nu se pot distinge - o cerință cheie pentru a permite internet cuantic. Astfel de provocări afectează pe toți cei care lucrează în fotonica cuantică și ar putea necesita descoperiri în știința materialelor pentru a le rezolva.”
„Ne așteaptă o mulțime de provocări. Dar am arătat potențialul de a crea surse de lumină cuantică care sunt mai versatile decât orice era posibil anterior.”
Referința jurnalului:
- Yichen Ma și colab., Blocarea pe cip pe orbită a emițătorilor cuantici în materiale 2D pentru emisie chirală, OPTICA (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
