Несмотря на быстрое развитие фотонных устройств и систем, встроенные информационные технологии в основном ограничиваются двухуровневыми системами из-за отсутствия достаточной реконфигурируемости для удовлетворения строгих требований. Даже несмотря на обширные усилия, направленные на недавно появившиеся векторные лазеры и микрорезонаторы для расширения размерностей, остается сложной задачей активная настройка разнообразных, многомерных суперпозиционных состояний света по требованию.
Ученые из Пенн Инженеры создали гиперпространственный спин-орбитальный микролазерный чип, который превосходит по безопасности и надежности существующие квантовые коммуникации аппаратное обеспечение. Их система использует «кудиты» для связи, удваивая квантовое информационное пространство более ранних лазеров на кристалле.
Использование передовых квантовых устройств кубиты, единицы цифровой информации, способные одновременно принимать значения 1 и 0. В квантовой механике это состояние одновременности называется «суперпозицией». Квантовый бит в состоянии суперпозиции более двух уровней называется кудитом, чтобы сигнализировать об этих дополнительных измерениях.
Новое устройство использует четырехуровневые кудиты, которые позволяют добиться значительного прогресса в квантовая криптография. Более того, устройство предлагает четыре уровня суперпозиции и открывает возможности для дальнейшего увеличения размеров.
Постдокторант в области материаловедения и инженерии (MSE) Чжифэн Чжан сказал: «Самой большой проблемой была сложность и немасштабируемость стандартной установки. Мы уже знали, как создавать эти четырехуровневые системы, но для контроля всех параметров, связанных с увеличением размерности, требовалась лаборатория и множество различных оптических инструментов. Нашей целью было добиться этого на одном чипе. И это именно то, что мы сделали».
Гиперпространственный спин-орбитальный микролазер развивает прошлую работу группы с вихревыми микролазерами, которые чутко регулируют орбитальный угловой момент фотонов (ОАМ). Новое устройство добавляет к возможностям предыдущего лазера контроль над спином фотонов.
Этот дополнительный уровень контроля — возможность манипулировать и сочетать OAM и вращение — является прорывом, который позволил им создать четырехуровневую систему.
Главным экспериментальным достижением работы команды является одновременный контроль всех параметров, которые препятствовали созданию кудитов в интегральной фотонике.
ESE Ph.D. Студент Хаоци Чжао сказал: «Представьте себе квантовые состояния наших фотонов как две планеты, расположенные друг над другом. Раньше мы имели информацию только о широтах этих планет. При этом мы могли бы создать максимум два уровня суперпозиция. У нас не было достаточно информации, чтобы сложить их в четыре. Теперь у нас есть и долгота. Это информация, которая нам нужна для совместного манипулирования фотонами и достижения увеличения размеров. Мы координируем каждую вращение планеты и вращать и удерживать две планеты в стратегическом отношении друг к другу».
Лян Фэн, профессор кафедры материаловедения и инженерии (MSE), — сказал, «Существует большая обеспокоенность тем, что математическое шифрование, каким бы сложным оно ни было, будет становиться все менее и менее эффективным, поскольку мы так быстро развиваемся в компьютерных технологиях. Зависимость квантовой связи от физических, а не математических барьеров делает ее невосприимчивой к этим будущим угрозам. Как никогда важно, чтобы мы продолжали разрабатывать и совершенствовать технологии квантовой связи».
Справочник журнала:
- Чжан З., Чжао Х., Ву С. и др. Спин-орбитальный микролазер, излучающий в четырехмерном гильбертовом пространстве. природа (2022). ДОИ: 10.1038 / s41586-022-05339-г
