Genellikle bilgi, kuantum iletişim sistemlerinde bir fotonun dönüş açısal momentumuna “yazılır”. Bu senaryoda, fotonlar ya sağa ya da sola dairesel bir dönüş yapar ya da iki boyutlu bir görüntü oluşturmak için birleşirler. qubit, ikisinin kuantum süperpozisyonu. Bilgi aynı zamanda bir fotonun yörüngesel açısal momentumu üzerinde de saklanabilir; her bir foton ışının merkezini daire içine alırken, tirbuşon ışığı ilerledikçe ilerler.
Qubit'ler ve quditler, fotonlarda depolanan bilgiyi bir noktadan diğerine yayar. Temel fark, kuditlerin aynı mesafe boyunca kubitlere göre çok daha fazla bilgi taşıyabilmesi ve böylece yeni nesil turboşarjın temelini oluşturmasıdır. kuantum iletişimi.
Yeni bir çalışmada, kuantum bilimciler Stevens Teknoloji Enstitüsü Daha fazla bilgiyi tek bir fotona kodlamanın bir yöntemini göstererek, daha hızlı ve daha güçlü kuantum iletişim araçlarının kapısını açtılar. Ayrıca talep üzerine bireysel uçan kuditler veya "bükülen" fotonlar yaratıp kontrol edebileceklerini de gösteriyorlar.
Strauf'un NanoFotonik Laboratuvarı'nda yüksek lisans öğrencisi olan Yichen Ma şunları söyledi: "Normalde, dönüş açısal momentumu ve yörünge açısal momentumu bir fotonun bağımsız özellikleridir. Cihazımız, ikisi arasındaki kontrollü bağlantı yoluyla her iki özelliğin eş zamanlı kontrolünü gösteren ilk cihazdır. Bunu, herhangi bir kuantum iletişim uygulamasının temel gereksinimi olan klasik ışık ışınları yerine tek fotonlarla yapabileceğimizi göstermemiz büyük bir olay.”
"Bilgiyi yörüngesel açısal momentuma kodlamak, iletilebilecek bilgiyi radikal bir şekilde artırır. "Bükümlü" fotonlardan yararlanmak, kuantum iletişim araçlarının bant genişliğini artırarak verileri çok daha hızlı iletmelerini sağlayabilir."
Bilim insanları, tekli fotonlar yayabilen bir kuantum yayıcı oluşturmak amacıyla kıvrımlı fotonlar oluşturmak için atom kalınlığında bir tungsten diselenid filmi kullandılar. Daha sonra kuantum yayıcıyı halka rezonatör adı verilen içten yansıtıcı halka şeklindeki bir alana bağladılar. Yayıcının ve dişli şeklindeki rezonatörün düzenlemesine ince ayar yaparak, fotonun dönüşü ile yörüngesel açısal momentumu arasındaki etkileşimden yararlanarak isteğe bağlı olarak bireysel "bükülgen" fotonlar yaratmak mümkündür.
Bu dönme momentumu kilitleme işlevini etkinleştirmenin anahtarı, tasarımda dikkatli bir şekilde tasarlandığında cihazın merkeze doğru fırlattığı bükümlü girdap ışık ışınını yaratan halka rezonatörünün dişli şeklindeki desenine dayanır. ışık hızı.
Bu yetenekleri yalnızca 20 mikron genişliğinde (bir genişliğin yaklaşık dörtte biri kadar) tek bir mikroçipte entegre ederek insan saçı Ekip, kuantum iletişim sisteminin bir parçası olarak diğer standart bileşenlerle etkileşime girebilen, bükümlü bir foton yayıcı yarattı.
Ma şuraya, “Bazı önemli zorluklar devam ediyor. Ekibin teknolojisi, bir foton spiralinin saat yönünde veya saat yönünün tersine yönünü kontrol edebilse de, yörüngesel açısal momentum modu sayısını tam olarak kontrol etmek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır. Bu kritik yetenek, teorik olarak sonsuz sayıda farklı değerin tek bir fotona “yazılmasına” ve daha sonra tek bir fotondan çıkarılmasına olanak tanıyacak. Strauf'un Nanofotonik Laboratuvarı'ndaki son deneyler, bu sorunun yakında aşılabileceğine dair umut verici sonuçlar gösteriyor."
"Son derece tutarlı kuantum özelliklerine sahip bükülmüş fotonlar, yani ayırt edilemeyen fotonlar yaratabilen bir cihaz yaratmak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç var. kuantum internet. Bu tür zorluklar kuantum fotonik alanında çalışan herkesi etkiliyor ve çözülmesi için malzeme biliminde atılımlar yapılması gerekebilir."
“Önümüzde pek çok zorluk var. Ancak daha önce mümkün olan her şeyden daha çok yönlü kuantum ışık kaynakları yaratma potansiyelini gösterdik."
Dergi Referans:
- Yichen Ma ve diğerleri, Kiral emisyon için 2 boyutlu malzemelerdeki kuantum yayıcıların çip üzerinde spin-yörünge kilitlemesi, optik (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
