Bất chấp sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị và hệ thống quang tử, các công nghệ thông tin trên chip hầu như chỉ giới hạn ở các hệ thống hai cấp do thiếu khả năng cấu hình lại đủ để đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt. Ngay cả với những nỗ lực sâu rộng dành riêng cho laser vector và vi khoang mới xuất hiện gần đây để mở rộng các chiều, thì việc chủ động điều chỉnh các trạng thái chồng chất đa chiều, đa dạng của ánh sáng theo yêu cầu vẫn là một thách thức.
Các nhà khoa học từ Penn Các kỹ sư đã tạo ra một con chip microlaser quỹ đạo quay siêu chiều, vượt xa tính bảo mật và độ bền của chip hiện có truyền thông lượng tử phần cứng. Hệ thống của họ sử dụng “qudits” để liên lạc, tăng gấp đôi không gian thông tin lượng tử của các tia laser trên chip trước đó.
Các thiết bị lượng tử tiên tiến sử dụng qubit, đơn vị thông tin kỹ thuật số có khả năng đồng thời là 1 và 0. Trong cơ học lượng tử, trạng thái đồng thời này được gọi là “sự chồng chất”. Bit lượng tử ở trạng thái chồng chất lớn hơn hai mức được gọi là qudit để báo hiệu các chiều bổ sung này.
Thiết bị mới sử dụng qudits bốn cấp cho phép những tiến bộ đáng kể trong mật mã lượng tử. Hơn nữa, thiết bị cung cấp bốn cấp độ chồng chất và mở ra cơ hội để tăng thêm kích thước.
Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ về Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (MSE) Zhifeng Zhang cho biết: “Thách thức lớn nhất là sự phức tạp và không thể mở rộng của thiết lập tiêu chuẩn. Chúng tôi đã biết cách tạo ra các hệ thống bốn cấp này, nhưng nó yêu cầu phòng thí nghiệm và nhiều công cụ quang học khác nhau để kiểm soát tất cả các tham số liên quan đến việc tăng kích thước. Mục tiêu của chúng tôi là đạt được điều này trên một con chip duy nhất. Và đó chính xác là những gì chúng tôi đã làm.”
Microlaser quỹ đạo quay siêu chiều thúc đẩy công việc trước đây của nhóm với các microlaser xoáy, điều chỉnh một cách nhạy cảm xung lượng góc quỹ đạo (OAM) của photon. Thiết bị gần đây bổ sung khả năng kiểm soát spin quang tử cho các khả năng của laser trước đó.
Cấp độ kiểm soát bổ sung này—có thể điều khiển và kết hợp OAM và quay—là bước đột phá cho phép họ đạt được hệ thống bốn cấp độ.
Thành tựu thử nghiệm chính trong công việc của nhóm là kiểm soát đồng thời tất cả các tham số đã ngăn cản việc tạo ra qudit trong quang tử tích hợp.
Tiến sĩ ESE sinh viên Haoqi Zhao cho biết, “Hãy nghĩ về trạng thái lượng tử của các photon của chúng ta giống như hai hành tinh xếp chồng lên nhau. Trước đây, chúng ta chỉ có thông tin về vĩ độ của các hành tinh này. Cùng với đó, chúng tôi có thể tạo tối đa hai cấp độ chồng chất. Chúng tôi không có đủ thông tin để xếp chúng thành bốn. Bây giờ, chúng ta cũng có kinh độ. Đây là thông tin chúng ta cần để điều khiển các photon theo cách kết hợp và đạt được sự gia tăng về chiều. Chúng tôi phối hợp từng vòng quay của hành tinh và quay và giữ hai hành tinh trong mối quan hệ chiến lược với nhau.”
Liang Feng, Giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (MSE), nói, “Có rất nhiều lo ngại rằng mã hóa toán học, dù phức tạp đến đâu, sẽ ngày càng kém hiệu quả hơn vì chúng ta đang phát triển quá nhanh trong công nghệ điện toán. Sự phụ thuộc của giao tiếp lượng tử vào các rào cản vật lý hơn là toán học khiến nó miễn nhiễm với các mối đe dọa trong tương lai này. Điều quan trọng hơn bao giờ hết là chúng tôi tiếp tục phát triển và hoàn thiện các công nghệ truyền thông lượng tử.”
Tạp chí tham khảo:
- Zhang, Z., Zhao, H., Wu, S. và cộng sự. Microlaser quỹ đạo quay phát ra trong không gian Hilbert bốn chiều. Thiên nhiên (Năm 2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05339-z
