แม้จะมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์และระบบโฟโตนิก แต่เทคโนโลยีสารสนเทศบนชิปส่วนใหญ่ถูกจำกัดอยู่ที่ระบบสองระดับ เนื่องจากขาดความสามารถในการกำหนดค่าใหม่ได้เพียงพอที่จะตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวด แม้จะมีความพยายามอย่างกว้างขวางที่อุทิศให้กับเลเซอร์เวกเตอร์และไมโครคาวิตี้ที่เพิ่งเกิดขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้เพื่อขยายมิติ มันยังคงเป็นความท้าทายในการปรับแต่งสถานะการซ้อนทับในมิติสูงที่หลากหลายของแสงตามความต้องการ
นักวิทยาศาสตร์จาก เพนน์ วิศวกรรมได้สร้างชิปไมโครเลเซอร์แบบวงโคจรแบบหลายมิติที่เหนือกว่าความปลอดภัยและความทนทานของชิปที่มีอยู่ การสื่อสารควอนตัม ฮาร์ดแวร์. ระบบของพวกเขาใช้ "qudits" เพื่อการสื่อสาร ซึ่งเพิ่มพื้นที่ข้อมูลควอนตัมของเลเซอร์บนชิปรุ่นก่อนๆ เป็นสองเท่า
การใช้อุปกรณ์ควอนตัมขั้นสูง qubitsหน่วยข้อมูลดิจิทัลที่สามารถเป็นได้ทั้ง 1 และ 0 พร้อม ๆ กัน ในกลศาสตร์ควอนตัม สภาวะที่เกิดขึ้นพร้อมกันนี้เรียกว่า "การซ้อน" บิตควอนตัมในสถานะซ้อนทับที่มากกว่าสองระดับเรียกว่า qudit เพื่อส่งสัญญาณมิติเพิ่มเติมเหล่านี้
อุปกรณ์ใหม่ใช้ qudits สี่ระดับที่ช่วยให้ก้าวหน้าไปอย่างมาก การเข้ารหัสควอนตัม. นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังมีการซ้อนทับสี่ระดับและเปิดประตูเพื่อเพิ่มมิติเพิ่มเติม
Zhifeng Zhang นักวิจัยหลังปริญญาเอกด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ (MSE) กล่าวว่า “ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดคือความซับซ้อนและไม่สามารถปรับขนาดได้ของการตั้งค่ามาตรฐาน เรารู้วิธีสร้างระบบสี่ระดับเหล่านี้อยู่แล้ว แต่จำเป็นต้องมีห้องปฏิบัติการและเครื่องมือด้านการมองเห็นต่างๆ มากมายเพื่อควบคุมพารามิเตอร์ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มมิติ เป้าหมายของเราคือการบรรลุเป้าหมายนี้ด้วยชิปตัวเดียว และนั่นคือสิ่งที่เราทำ”
ไมโครเลเซอร์แบบหมุนวนแบบไฮเปอร์มิติช่วยพัฒนางานที่ผ่านมาของกลุ่มด้วยไมโครเลเซอร์แบบวอร์เท็กซ์ ซึ่งควบคุมโมเมนตัมเชิงมุมในวงโคจรของโฟตอน (OAM) อย่างละเอียดอ่อน อุปกรณ์ล่าสุดเพิ่มการควบคุมการหมุนโฟโตนิกให้กับความสามารถของเลเซอร์ก่อนหน้านี้
ระดับการควบคุมเพิ่มเติม ความสามารถในการจัดการและจับคู่ OAM และการหมุน ถือเป็นความก้าวหน้าที่ทำให้พวกเขาสามารถบรรลุระบบสี่ระดับได้
ความสำเร็จในการทดลองหลักของงานของทีมคือการควบคุมพารามิเตอร์ทั้งหมดที่ป้องกันการสร้างควิดิตในโฟโตนิกแบบรวมไปพร้อมๆ กัน
ปริญญาเอก ESE นักเรียน Haoqi Zhao กล่าวว่า “ลองนึกถึงสถานะควอนตัมของโฟตอนของเราเมื่อดาวเคราะห์สองดวงวางซ้อนกัน ก่อนหน้านี้เรามีเพียงข้อมูลเกี่ยวกับละติจูดของดาวเคราะห์เหล่านี้เท่านั้น ด้วยเหตุนี้ เราจึงสามารถสร้างระดับได้สูงสุดสองระดับ การทับซ้อน. เรามีข้อมูลไม่เพียงพอที่จะแบ่งพวกมันออกเป็นสี่ส่วน ทีนี้ เรามีลองจิจูดด้วย นี่คือข้อมูลที่เราต้องการในการจัดการโฟตอนในลักษณะควบคู่กันและเพิ่มมิติ เราประสานงานกัน การหมุนของดาวเคราะห์ และหมุนและยึดดาวเคราะห์ทั้งสองไว้ในความสัมพันธ์เชิงกลยุทธ์ซึ่งกันและกัน”
Liang Feng ศาสตราจารย์ในภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ (MSE) กล่าวว่า, “มีความกังวลอย่างมากว่าการเข้ารหัสทางคณิตศาสตร์ ไม่ว่าจะซับซ้อนแค่ไหน ก็จะมีประสิทธิภาพน้อยลงเรื่อยๆ เนื่องจากเรากำลังก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ การพึ่งพาอุปสรรคทางกายภาพมากกว่าการสื่อสารทางคณิตศาสตร์ของการสื่อสารควอนตัม ทำให้การสื่อสารมีภูมิคุ้มกันต่อภัยคุกคามในอนาคตเหล่านี้ การที่เราจะพัฒนาและปรับปรุงเทคโนโลยีการสื่อสารควอนตัมต่อไปนั้นสำคัญยิ่งกว่าที่เคย”
การอ้างอิงวารสาร:
- Zhang, Z. , Zhao, H. , Wu, S. และคณะ ไมโครเลเซอร์แบบหมุนวงโคจรเปล่งแสงในอวกาศฮิลแบร์ตสี่มิติ ธรรมชาติ (2022). ดอย: 10.1038 / s41586-022-05339-z
