Trots den snabba utvecklingen av fotoniska enheter och system är informationsteknik på chip oftast begränsad till tvånivåsystem på grund av bristen på tillräcklig omkonfigurerbarhet för att tillgodose de stränga kraven. Även med omfattande ansträngningar dedikerade till nyligen uppkomna vektorlasrar och mikrohålrum för att utöka dimensionaliteter, är det fortfarande en utmaning att aktivt ställa in de diversifierade, högdimensionella superpositionstillstånden av ljus på begäran.
Forskare från Penn Engineering har skapat ett hyperdimensionellt, spin-orbit mikrolaserchip som överträffar säkerheten och robustheten hos befintliga kvantkommunikation hårdvara. Deras system använder "qudits" för kommunikation, vilket fördubblar kvantinformationsutrymmet för tidigare on-chip-lasrar.
Avancerade kvantenheter använder kvantbitar, enheter av digital information som kan vara både 1 och 0 samtidigt. Inom kvantmekaniken kallas detta simultanitetstillstånd "superposition". En kvantbit i ett tillstånd av överlagring som är större än två nivåer kallas en qudit för att signalera dessa ytterligare dimensioner.
Den nya enheten använder qudits på fyra nivåer som möjliggör betydande framsteg inom kvantkryptografi. Dessutom erbjuder enheten fyra nivåer av överlagring och öppnar dörren för ytterligare ökningar i dimension.
Materialvetenskap och teknik (MSE) postdoktor Zhifeng Zhang sa, "Den största utmaningen var komplexiteten och icke-skalbarheten i standardinställningen. Vi visste redan hur man genererade dessa fyra-nivåsystem, men det krävdes ett labb och många olika optiska verktyg för att kontrollera alla parametrar som är förknippade med dimensionsökningen. Vårt mål var att uppnå detta på ett enda chip. Och det var precis vad vi gjorde.”
Den hyperdimensionella spin-orbit mikrolasern främjar gruppens tidigare arbete med vortex mikrolasrar, som känsligt reglerar fotoner orbital angular momentum (OAM). Den senaste enheten lägger till kontroll över fotoniskt spinn till föregående lasers kapacitet.
Denna ytterligare nivå av kontroll – att kunna manipulera och koppla OAM och spinn – är genombrottet som gjorde det möjligt för dem att uppnå ett system med fyra nivåer.
Den huvudsakliga experimentella prestationen av teamets arbete är den samtidiga kontrollen av alla parametrar som hade förhindrat qudit-skapande i integrerad fotonik.
ESE Ph.D. studenten Haoqi Zhao sa, "Tänk på kvanttillstånden för våra fotoner som två planeter staplade ovanpå varandra. Förut hade vi bara information om dessa planeters breddgrader. Med det skulle vi kunna skapa högst två nivåer av överlagring. Vi hade inte tillräckligt med information för att stapla dem i fyra. Nu har vi longitud också. Detta är informationen vi behöver för att manipulera fotoner på ett kopplat sätt och uppnå dimensionell ökning. Vi samordnar var och en planetens rotation och snurra och håll de två planeterna i strategisk relation till varandra."
Liang Feng, professor vid institutionerna för materialvetenskap och teknik (MSE), sade, "Det finns mycket oro för att matematisk kryptering, oavsett hur komplex den är, kommer att bli mindre och mindre effektiv eftersom vi går så snabbt framåt i datorteknik. Kvantkommunikationens beroende av fysiska snarare än matematiska barriärer gör den immun mot dessa framtida hot. Det är viktigare än någonsin att vi fortsätter att utveckla och förfina kvantkommunikationsteknik.”
Tidskriftsreferens:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. et al. Spin-omloppsmikrolaser som emitterar i ett fyrdimensionellt Hilbert-utrymme. Natur (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
