Vanligtvis "skrivs" information på en fotons spinnvinkelmoment i kvantkommunikationssystem. I detta scenario gör fotoner antingen en höger- eller vänstercirkulär rotation eller kombineras för att producera en tvådimensionell kvantbit, en kvantöverlagring av de två. Information kan också lagras på en fotons orbitala vinkelmomentum, korkskruvens ljus tar när det avancerar medan varje foton cirklar strålens centrum.
Qubits och qudits sprider information lagrad i fotoner från en punkt till en annan. Den största skillnaden är att qudits kan bära mycket mer information över samma avstånd än qubits, vilket ger grunden för nästa generations turboladdning kvantkommunikation.
I en ny studie har kvantforskare vid Stevens Institute of Technology har demonstrerat en metod för att koda mer information till en enda foton, vilket öppnar dörren till ännu snabbare och kraftfullare kvantkommunikationsverktyg. De visar också att de kan skapa och kontrollera individuella flygande qudits, eller "twisty" fotoner, på begäran.
Yichen Ma, en doktorand i Straufs NanoPhotonics Lab, sa: "Normalt är spinns rörelsemängd och den orbitala rörelsemängden oberoende egenskaper hos en foton. Vår enhet är den första som demonstrerar samtidig kontroll av båda egenskaperna via den kontrollerade kopplingen mellan de två. Det är en stor sak som vi har visat att vi kan göra det här med enstaka fotoner snarare än klassiska ljusstrålar, vilket är grundkravet för alla kvantkommunikationstillämpningar.”
"Kodning av information till omloppsrörelsemängd ökar radikalt informationen som kan överföras. Att utnyttja "twisty" fotoner kan öka bandbredden hos kvantkommunikationsverktyg, vilket gör det möjligt för dem att överföra data mycket snabbare."
Forskare använde en atomtjock film av volframdiselenid för att skapa vridna fotoner för att skapa en kvantemitter som kan sända ut enstaka fotoner. Därefter kopplade de kvantemittern i ett internt reflekterande munkformat utrymme som kallas en ringresonator. Genom att finjustera arrangemanget av sändaren och den kugghjulsformade resonatorn är det möjligt att utnyttja interaktionen mellan fotonens spinn och dess omloppsrörelsemängd för att skapa individuella "vridna" fotoner på begäran.
Nyckeln till att aktivera denna spin-momentum-låsningsfunktion bygger på det kuggformade mönstret hos ringresonatorn, som, när den är noggrant konstruerad i designen, skapar den vridna virvelstrålen av ljus som enheten skjuter ut mot ljusets hastighet.
Genom att integrera dessa funktioner i ett enda mikrochip som bara mäter 20 mikron i diameter - ungefär en fjärdedel av bredden av en mänskligt hår — Teamet har skapat en twisty-photon-sändare som kan interagera med andra standardiserade komponenter som en del av ett kvantkommunikationssystem.
Ma sade, "Det finns några viktiga utmaningar kvar. Medan teamets teknologi kan styra i vilken riktning en fotonspiral - medurs eller moturs - krävs mer arbete för att kontrollera det exakta pulsmomentlägets nummer. Den kritiska förmågan kommer att möjliggöra ett teoretiskt oändligt intervall av olika värden att "skrivas" in i och senare extraheras från en enda foton. De senaste experimenten i Straufs Nanophotonics Lab visar lovande resultat att detta problem snart kan övervinnas.”
"Ytterligare arbete behövs också för att skapa en enhet som kan skapa vridna fotoner med strikt konsekventa kvantegenskaper, dvs. oskiljbara fotoner - ett nyckelkrav för att möjliggöra kvantinternet. Sådana utmaningar påverkar alla som arbetar med kvantfotonik och kan kräva genombrott inom materialvetenskap att lösa.”
– Det finns många utmaningar framför oss. Men vi har visat potentialen för att skapa kvantljuskällor som är mer mångsidiga än något tidigare möjligt.”
Tidskriftsreferens:
- Yichen Ma et al., On-chip spin-orbit locking of quantum emitters in 2D material for chiral emission, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
