Зазвичай інформація «записується» на кутовий момент імпульсу фотона в системах квантового зв’язку. У цьому сценарії фотони обертаються праворуч або ліворуч або об’єднуються, створюючи двовимірне зображення. кубіт, квантова суперпозиція двох. Також може зберігатися інформація про орбітальний кутовий момент фотона, по якому проходить світло, коли кожен фотон обертається навколо центру променя.
Кубіти та кудіти передають інформацію, що зберігається у фотонах, від однієї точки до іншої. Основна відмінність полягає в тому, що кудити можуть передавати набагато більше інформації на ту саму відстань, ніж кубіти, забезпечуючи основу для турбонаддуву наступного покоління квантове спілкування.
У новому дослідженні квантові вчені в Технологічний інститут Стівенса продемонстрували метод кодування більшої кількості інформації в один фотон, що відкриває двері для ще швидших і потужніших інструментів квантової комунікації. Вони також показують, що вони можуть створювати та керувати індивідуальними літаючими кудітами, або «звивистими» фотонами, на вимогу.
Ічен Ма, аспірант лабораторії нанофотоніки Штрауфа, сказав: «Зазвичай спіновий кутовий момент і орбітальний кутовий момент є незалежними властивостями фотона. Наш пристрій є першим, який демонструє одночасний контроль обох властивостей за допомогою керованого зв’язку між ними. Дуже важливо, що ми показали, що можемо робити це за допомогою окремих фотонів, а не класичних світлових променів, що є основною вимогою для будь-якого застосування квантової комунікації».
«Кодування інформації в орбітальний кутовий момент радикально збільшує інформацію, яку можна передати. Використання «звивистих» фотонів може збільшити пропускну здатність інструментів квантового зв’язку, дозволяючи їм передавати дані набагато швидше».
Вчені використовували плівку диселеніду вольфраму товщиною в атом, щоб створити звивисті фотони, щоб створити квантовий випромінювач, здатний випромінювати окремі фотони. Далі вони поєднали квантовий випромінювач у внутрішньому відбиваючому просторі у формі бублика, який називається кільцевим резонатором. Тонко налаштувавши розташування випромінювача та зубчастого резонатора, можна використовувати взаємодію між обертом фотона та його орбітальним кутовим моментом для створення окремих «звивистих» фотонів на вимогу.
Ключ до увімкнення цієї функції фіксації обертового імпульсу залежить від зубчастого візерунка кільцевого резонатора, який, будучи ретельно розробленим у конструкції, створює звивистий вихровий промінь світла, який пристрій випускає на швидкість світла.
Інтегруючи ці можливості в один мікрочіп розміром лише 20 мікрон у поперечнику — приблизно чверть ширини людські волосся — команда створила випромінювач звивистих фотонів, здатний взаємодіяти з іншими стандартизованими компонентами як частину системи квантового зв’язку.
Ma сказав, «Деякі ключові виклики залишаються. Хоча технологія команди може контролювати напрямок, у якому спіраль фотонів — за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки — потрібна додаткова робота, щоб контролювати точний номер моди орбітального кутового моменту. Ця критична здатність дозволить теоретично нескінченний діапазон різних значень бути «записаним» в один фотон і пізніше витягнутий з нього. Останні експерименти в лабораторії нанофотоніки Штрауфа показали багатообіцяючі результати, які свідчать про те, що цю проблему незабаром можна буде подолати».
«Потрібна також подальша робота для створення пристрою, який може створювати скручені фотони зі строго узгодженими квантовими властивостями, тобто нерозрізнені фотони — ключова вимога для забезпечення квантовий Інтернет. Такі виклики стосуються кожного, хто працює в галузі квантової фотоніки, і для їх вирішення можуть знадобитися прориви в матеріалознавстві».
«Попереду багато викликів. Але ми показали потенціал для створення квантових джерел світла, які є більш універсальними, ніж будь-які раніше можливі».
Довідка з журналу:
- Yichen Ma та ін., Спін-орбітальне блокування квантових випромінювачів у двовимірних матеріалах для хірального випромінювання на кристалі, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481
