โดยปกติ ข้อมูลจะถูก "เขียน" ลงบนโมเมนตัมเชิงมุมการหมุนของโฟตอนในระบบสื่อสารควอนตัม ในสถานการณ์นี้ โฟตอนทำการหมุนเป็นวงกลมทางขวาหรือทางซ้าย หรือรวมกันเพื่อสร้างเป็นสองมิติ คิวบิตการซ้อนทับควอนตัมของทั้งสอง ข้อมูลยังสามารถจัดเก็บบนโมเมนตัมเชิงมุมของโฟตอนได้อีกด้วย โดยแสงจากเกลียวไขจุกจะทำงานในขณะที่โฟตอนแต่ละอันโคจรรอบศูนย์กลางของลำแสง
Qubits และ qudits เผยแพร่ข้อมูลที่เก็บไว้ในโฟตอนจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ความแตกต่างที่สำคัญคือ qudits สามารถส่งข้อมูลได้มากกว่าระยะทางเดียวกันมากกว่า qubits ซึ่งเป็นรากฐานสำหรับเทอร์โบชาร์จเจอร์รุ่นต่อไป การสื่อสารควอนตัม.
ในการศึกษาใหม่ นักวิทยาศาสตร์ควอนตัมที่ สตีเวนส์สถาบันเทคโนโลยี ได้สาธิตวิธีการเข้ารหัสข้อมูลเพิ่มเติมลงในโฟตอนเดียว ซึ่งเปิดประตูสู่เครื่องมือสื่อสารควอนตัมที่เร็วและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถสร้างและควบคุม qudits การบินของแต่ละบุคคลหรือโฟตอน "บิด" ได้ตามต้องการ
Yichen Ma นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก NanoPhotonics Lab ของ Strauf กล่าวว่า “โดยปกติ โมเมนตัมเชิงมุมของการหมุนและโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรเป็นคุณสมบัติอิสระของโฟตอน อุปกรณ์ของเราเป็นเครื่องแรกที่แสดงให้เห็นถึงการควบคุมคุณสมบัติทั้งสองพร้อมกันผ่านการมีเพศสัมพันธ์ที่ควบคุมระหว่างทั้งสอง เป็นเรื่องใหญ่ที่เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าเราสามารถทำได้ด้วยโฟตอนเดี่ยวมากกว่าลำแสงแบบคลาสสิก ซึ่งเป็นข้อกำหนดขั้นพื้นฐานสำหรับแอปพลิเคชันการสื่อสารควอนตัม”
“การเข้ารหัสข้อมูลเป็นโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรจะเพิ่มข้อมูลที่สามารถส่งได้อย่างรุนแรง การใช้โฟตอน "บิดเบี้ยว" สามารถเพิ่มแบนด์วิดท์ของเครื่องมือสื่อสารควอนตัม ทำให้สามารถส่งข้อมูลได้เร็วกว่ามาก"
นักวิทยาศาสตร์ใช้ฟิล์มหนาอะตอมของทังสเตนไดเซเลไนด์เพื่อสร้างโฟตอนที่บิดเบี้ยวเพื่อสร้างตัวปล่อยควอนตัมที่สามารถปล่อยโฟตอนเดี่ยวได้ ต่อจากนั้น พวกเขารวมตัวปล่อยควอนตัมในพื้นที่รูปโดนัทสะท้อนแสงภายในที่เรียกว่าเครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวน ด้วยการปรับแต่งการจัดเรียงของอีซีแอลและเรโซเนเตอร์รูปเฟือง เป็นไปได้ที่จะใช้ประโยชน์จากปฏิสัมพันธ์ระหว่างการหมุนของโฟตอนกับโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรเพื่อสร้างโฟตอน "บิด" ตามความต้องการ
กุญแจสำคัญในการเปิดใช้งานฟังก์ชันล็อกสปินโมเมนตัมจะขึ้นอยู่กับรูปแบบรูปเฟืองของตัวสะท้อนเสียงกริ่ง ซึ่งเมื่อได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมอย่างรอบคอบแล้ว จะสร้างลำแสงกระแสน้ำวนที่บิดเป็นเกลียวซึ่งอุปกรณ์จะยิงออกไปที่ ความเร็วของแสง.
ด้วยการรวมความสามารถเหล่านั้นไว้ในไมโครชิปตัวเดียวที่วัดได้เพียง 20 ไมครอน — ประมาณหนึ่งในสี่ของความกว้างของ ผมมนุษย์ — ทีมงานได้สร้างโฟตอนแบบบิดเกลียวซึ่งสามารถโต้ตอบกับส่วนประกอบมาตรฐานอื่น ๆ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบการสื่อสารควอนตัม
Ma กล่าวว่า, “ความท้าทายที่สำคัญบางอย่างยังคงอยู่ ในขณะที่เทคโนโลยีของทีมสามารถควบคุมทิศทางการหมุนของโฟตอน — ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา — จำเป็นต้องทำงานมากขึ้นเพื่อควบคุมหมายเลขโหมดโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรที่แน่นอน ความสามารถที่สำคัญนั้นจะทำให้ช่วงค่าต่าง ๆ ที่ไม่มีที่สิ้นสุดในทางทฤษฎีสามารถ "เขียน" ลงในและแยกจากโฟตอนเดียวในภายหลัง การทดลองล่าสุดใน Nanophotonics Lab ของ Strauf แสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่มีแนวโน้มว่าจะสามารถเอาชนะปัญหานี้ได้ในไม่ช้า”
“ยังต้องทำงานเพิ่มเติมเพื่อสร้างอุปกรณ์ที่สามารถสร้างโฟตอนบิดเบี้ยวด้วยคุณสมบัติควอนตัมที่สม่ำเสมออย่างเข้มงวด กล่าวคือ โฟตอนแยกไม่ออก — ข้อกำหนดหลักในการเปิดใช้ ควอนตัมอินเทอร์เน็ต. ความท้าทายดังกล่าวส่งผลกระทบต่อทุกคนที่ทำงานในควอนตัมโฟโตนิกส์และอาจต้องอาศัยความก้าวหน้าทางวัสดุศาสตร์เพื่อแก้ปัญหา”
“ความท้าทายมากมายรออยู่ข้างหน้า แต่เราได้แสดงศักยภาพในการสร้างแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมที่ใช้งานได้หลากหลายกว่าที่เคยเป็นมา”
การอ้างอิงวารสาร:
- Yichen Ma et al. การล็อกออนชิปบนวงโคจรของตัวปล่อยควอนตัมในวัสดุ 2 มิติสำหรับการปล่อยไครัล เลนส์ (2022). ดอย: 10.1364/OPTICA.463481
