Običajno je informacija "zapisana" na vrtilno količino fotona v kvantnih komunikacijskih sistemih. V tem scenariju fotoni naredijo krožno rotacijo v desno ali levo ali pa se združijo v dvodimenzionalni qubit, kvantna superpozicija obeh. Podatke je mogoče shraniti tudi o fotonovem orbitalnem kotnem momentu, po katerem pot svetlobe poteka, ko se premika, medtem ko vsak foton kroži sredino žarka.
Qubiti in quditi širijo informacije, shranjene v fotonih, od ene točke do druge. Glavna razlika je v tem, da lahko quditi prenesejo veliko več informacij na isto razdaljo kot qubiti, kar je osnova za turbopolnilnike naslednje generacije kvantna komunikacija.
V novi študiji so kvantni znanstveniki na Stevensov tehnološki inštitut so pokazali metodo za kodiranje več informacij v en sam foton, s čimer so odprli vrata še hitrejšim in zmogljivejšim kvantnim komunikacijskim orodjem. Pokažejo tudi, da lahko na zahtevo ustvarijo in nadzorujejo posamezne leteče qudite ali "zavite" fotone.
Yichen Ma, podiplomski študent v Straufovem laboratoriju za nanofotoniko, je dejal, »Običajno sta vrtilna in orbitalna kotna količina neodvisni lastnosti fotona. Naša naprava je prva, ki prikazuje hkraten nadzor obeh lastnosti prek nadzorovane sklopke med obema. Zelo pomembno je, da smo pokazali, da lahko to storimo z enojnimi fotoni namesto s klasičnimi svetlobnimi žarki, kar je osnovna zahteva za vsako kvantno komunikacijsko aplikacijo.«
»Kodiranje informacij v orbitalni kotni moment radikalno poveča informacije, ki jih je mogoče prenesti. Izkoriščanje "zavitih" fotonov bi lahko povečalo pasovno širino kvantnih komunikacijskih orodij in jim omogočilo veliko hitrejši prenos podatkov.
Znanstveniki so uporabili atomsko debel film volframovega diselenida, da so ustvarili zavite fotone, da bi ustvarili kvantni oddajnik, ki je sposoben oddajati posamezne fotone. Nato so povezali kvantni oddajnik v notranje odsevni prostor v obliki krofa, imenovan obročni resonator. S fino nastavitvijo razporeditve oddajnika in resonatorja v obliki zobnika je mogoče izkoristiti interakcijo med vrtenjem fotona in njegovim orbitalnim kotnim momentom za ustvarjanje posameznih "zavitih" fotonov na zahtevo.
Ključ do omogočanja te funkcije zaklepanja vrtilne količine se opira na zobato oblikovan vzorec obročastega resonatorja, ki, ko je skrbno zasnovan v zasnovi, ustvari zavit vrtinčni žarek svetlobe, ki ga naprava izstreli na hitrost svetlobe.
Z vključitvijo teh zmogljivosti v en sam mikročip, ki meri le 20 mikronov v premeru – približno četrtino širine človeški lasje — ekipa je ustvarila oddajnik zasukanih fotonov, ki je sposoben interakcije z drugimi standardiziranimi komponentami kot del kvantnega komunikacijskega sistema.
Ma je dejal, »Nekateri ključni izzivi ostajajo. Medtem ko lahko tehnologija ekipe nadzoruje smer, v katero fotonska spirala - v smeri urinega kazalca ali nasprotni smeri urinega kazalca - je potrebno več dela za nadzor natančnega števila načina orbitalnega kotnega momenta. Ta kritična zmožnost bo omogočila, da se v en sam foton "zapiše" in kasneje ekstrahira teoretično neskončen obseg različnih vrednosti. Najnovejši poskusi v Straufovem laboratoriju za nanofotoniko kažejo obetavne rezultate, da bo to težavo mogoče kmalu premagati.«
»Potrebno je tudi nadaljnje delo za ustvarjanje naprave, ki lahko ustvari zvite fotone s strogo doslednimi kvantnimi lastnostmi, tj. neločljive fotone – ključna zahteva za omogočanje kvantni internet. Takšni izzivi vplivajo na vse, ki se ukvarjajo s kvantno fotoniko, za rešitev pa bi lahko bili potrebni preboji v znanosti o materialih.«
»Pred nami je veliko izzivov. Pokazali pa smo potencial za ustvarjanje kvantnih svetlobnih virov, ki so bolj vsestranski kot karkoli doslej.”
Referenca dnevnika:
- Yichen Ma et al., Zaklepanje vrtilne orbite na čipu kvantnih emitorjev v 2D materialih za kiralno emisijo, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
