Незважаючи на швидкий розвиток фотонних пристроїв і систем, інформаційні технології на кристалах здебільшого обмежені дворівневими системами через відсутність достатньої можливості реконфігурації для задоволення суворих вимог. Навіть з великими зусиллями, спрямованими на нещодавно з’явилися векторні лазери та мікрорезонатори для розширення розмірності, залишається проблемою активне налаштування різноманітних, високовимірних станів суперпозиції світла на вимогу.
Вчені з Росії Пенн Інженери створили надвимірний мікролазерний мікрочіп із обертовою орбітою, який перевершує за безпекою та надійністю існуючі квантові комунікації обладнання. Їхня система використовує «qudits» для зв’язку, подвоюючи квантовий інформаційний простір попередніх вбудованих лазерів.
Використання передових квантових пристроїв кубіти, одиниці цифрової інформації, які можуть бути як 1, так і 0 одночасно. У квантовій механіці цей стан одночасності називається «суперпозицією». Квантовий біт у стані суперпозиції більше двох рівнів називається qudit для сигналізації цих додаткових вимірів.
У новому пристрої використовуються чотирирівневі qudits, які дозволяють значно вдосконалити квантова криптографія. Крім того, пристрій пропонує чотири рівні суперпозиції та відкриває двері для подальшого збільшення розміру.
Докторант Zhifeng Zhang сказав: «Найбільшою проблемою була складність і немасштабованість стандартного налаштування. Ми вже знали, як створити ці чотирирівневі системи, але для цього потрібна була лабораторія та багато різних оптичних інструментів, щоб контролювати всі параметри, пов’язані зі збільшенням розміру. Нашою метою було досягти цього на одному чіпі. І це саме те, що ми зробили».
Гіпервимірний спін-орбітальний мікролазер розвиває минулі роботи групи з вихровими мікролазерами, які чутливо регулюють орбітальний кутовий момент фотонів (OAM). Нещодавній пристрій додає контроль над фотонним обертанням до можливостей попереднього лазера.
Цей додатковий рівень контролю — можливість маніпулювати та поєднувати OAM і обертання — є проривом, який дозволив їм створити чотирирівневу систему.
Основним експериментальним досягненням роботи колективу є одночасний контроль усіх параметрів, які перешкоджали створенню кудіта в інтегральній фотоніці.
ESE Ph.D. студент Хаоці Чжао сказав: «Подумайте про квантові стани наших фотонів як про дві планети, поставлені одна на одну. Раніше ми мали інформацію лише про широти цих планет. Таким чином, ми могли створити максимум два рівні суперпозиція. У нас не було достатньо інформації, щоб розділити їх на чотири. Тепер ми також маємо довготу. Це інформація, яка нам потрібна, щоб маніпулювати фотонами у зв’язаний спосіб і досягти збільшення розмірів. Координуємо кожен обертання планети обертати й утримувати дві планети в стратегічному відношенні одна до одної».
Лян Фен, професор кафедри матеріалознавства та інженерії (MSE), сказав, «Є велика стурбованість тим, що математичне шифрування, яким би складним воно не було, ставатиме все менш ефективним, оскільки ми так швидко просуваємося в обчислювальних технологіях. Залежність квантової комунікації від фізичних, а не математичних бар’єрів робить її несприйнятливою до цих майбутніх загроз. Як ніколи важливо, щоб ми продовжували розвивати та вдосконалювати квантові комунікаційні технології».
Довідка з журналу:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. та ін. Спін-орбітальний мікролазер, що випромінює в чотиривимірному гільбертовому просторі. природа (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
