Kljub hitremu razvoju fotonskih naprav in sistemov so informacijske tehnologije na čipu večinoma omejene na dvonivojske sisteme zaradi pomanjkanja zadostne rekonfigurabilnosti za izpolnitev strogih zahtev. Tudi z obsežnimi prizadevanji, posvečenimi nedavno nastalim vektorskim laserjem in mikrokavitetam za razširitev dimenzij, ostaja izziv aktivno prilagajanje raznovrstnih, visokodimenzionalnih superpozicijskih stanj svetlobe na zahtevo.
Znanstveniki iz Penn Inženirji so ustvarili hiperdimenzionalni mikrolaserski čip z vrtljivo orbito, ki presega varnost in robustnost obstoječih kvantne komunikacije strojna oprema. Njihov sistem za komunikacijo uporablja "qudits", s čimer podvoji kvantni informacijski prostor prejšnjih laserjev na čipu.
Uporaba naprednih kvantnih naprav qubits, enote digitalnih informacij, ki so lahko hkrati 1 in 0. V kvantni mehaniki se to stanje simultanosti imenuje "superpozicija". Kvantni bit v stanju superpozicije, večjem od dveh ravni, se imenuje qudit za signaliziranje teh dodatnih dimenzij.
Nova naprava uporablja štiristopenjske qudite, ki omogočajo bistven napredek pri kvantna kriptografija. Poleg tega naprava ponuja štiri stopnje superpozicije in odpira vrata nadaljnjemu povečanju dimenzije.
Podoktorski sodelavec znanosti o materialih in inženirstvu (MSE) Zhifeng Zhang je dejal, »Največji izziv je bila zapletenost in nerazširljivost standardne nastavitve. Vedeli smo že, kako ustvariti te štirinivojske sisteme, vendar je bil potreben laboratorij in veliko različnih optičnih orodij za nadzor vseh parametrov, povezanih s povečanjem dimenzije. Naš cilj je bil doseči to na enem samem čipu. In točno to smo storili.”
Hiperdimenzionalni spin-orbitalni mikrolaser napreduje v preteklem delu skupine z vrtinčnimi mikrolaserji, ki občutljivo uravnavajo orbitalni kotni moment fotonov (OAM). Najnovejša naprava zmožnostim predhodnega laserja doda nadzor nad fotonskim vrtenjem.
Ta dodatna raven nadzora – zmožnost manipulacije in združevanja OAM in vrtenja – je preboj, ki jim je omogočil doseči štiristopenjski sistem.
Glavni eksperimentalni dosežek dela ekipe je hkratna kontrola vseh parametrov, ki so preprečevali ustvarjanje qudita v integrirani fotoniki.
ESE Ph.D. študent Haoqi Zhao je rekel, »Pomislite na kvantna stanja naših fotonov kot na dva planeta, ki sta zložena drug na drugega. Prej smo imeli le informacije o zemljepisnih širinah teh planetov. S tem bi lahko ustvarili največ dve ravni superpozicija. Nismo imeli dovolj informacij, da bi jih zložili v štiri. Zdaj imamo tudi zemljepisno dolžino. To so informacije, ki jih potrebujemo za manipuliranje fotonov na povezan način in doseganje dimenzionalnega povečanja. Vsako posebej usklajujemo vrtenje planeta ter zavrti in drži dva planeta v strateškem odnosu drug do drugega.«
Liang Feng, profesor na Oddelku za znanost o materialih in tehniko (MSE), je dejal, »Veliko je zaskrbljenosti, da bo matematično šifriranje, ne glede na to, kako zapleteno, postalo vse manj učinkovito, ker tako hitro napredujemo v računalniških tehnologijah. Zaradi odvisnosti kvantne komunikacije od fizičnih in ne od matematičnih ovir je imuna na te prihodnje grožnje. Bolj kot kdaj koli prej je pomembno, da nadaljujemo z razvojem in izpopolnjevanjem kvantnih komunikacijskih tehnologij.«
Referenca dnevnika:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Spin-orbitalni mikrolaser, ki seva v štiridimenzionalnem Hilbertovem prostoru. Narava (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
