Thông thường, thông tin được “ghi” vào xung lượng góc quay của một photon trong các hệ thống truyền thông lượng tử. Trong kịch bản này, các photon hoặc thực hiện quay tròn phải hoặc trái hoặc kết hợp để tạo ra hình ảnh hai chiều. qubit, một sự chồng chất lượng tử của cả hai. Thông tin cũng có thể được lưu trữ trên xung lượng góc quỹ đạo của một photon, ánh sáng đi theo đường xoắn ốc khi nó tiến lên trong khi mỗi photon quay quanh tâm chùm tia.
Qubit và qudits truyền thông tin được lưu trữ trong các photon từ điểm này sang điểm khác. Sự khác biệt chính là qudits có thể mang nhiều thông tin hơn trên cùng một khoảng cách so với qubit, tạo nền tảng cho việc tăng áp thế hệ tiếp theo truyền thông lượng tử.
Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học lượng tử tại Viện Công nghệ Stevens đã chứng minh một phương pháp mã hóa nhiều thông tin hơn thành một photon đơn lẻ, mở ra cơ hội cho các công cụ truyền thông lượng tử nhanh hơn và mạnh hơn. Họ cũng cho thấy rằng họ có thể tạo và điều khiển các qudits bay riêng lẻ, hoặc các photon “xoắn”, theo yêu cầu.
Yichen Ma, một sinh viên tốt nghiệp tại Phòng thí nghiệm NanoPhotonics của Strauf, cho biết: “Thông thường, động lượng góc quay và động lượng góc quỹ đạo là những tính chất độc lập của một photon. Thiết bị của chúng tôi là thiết bị đầu tiên thể hiện khả năng kiểm soát đồng thời cả hai thuộc tính thông qua khớp nối được kiểm soát giữa hai thuộc tính. Điều quan trọng là chúng tôi đã chứng minh được rằng chúng tôi có thể làm điều này với các photon đơn lẻ chứ không phải với các chùm ánh sáng cổ điển, đây là yêu cầu cơ bản cho bất kỳ ứng dụng truyền thông lượng tử nào.”
“Việc mã hóa thông tin thành động lượng góc quỹ đạo làm tăng đáng kể thông tin có thể được truyền đi. Tận dụng các photon “xoắn” có thể tăng băng thông của các công cụ liên lạc lượng tử, cho phép chúng truyền dữ liệu nhanh hơn rất nhiều.”
Các nhà khoa học đã sử dụng một màng vonfram diselenua dày một nguyên tử để tạo ra các photon uốn lượn nhằm tạo ra một bộ phát lượng tử có khả năng phát ra các photon đơn lẻ. Tiếp theo, họ ghép nối bộ phát lượng tử trong một không gian hình bánh rán phản xạ bên trong được gọi là bộ cộng hưởng vòng. Bằng cách tinh chỉnh sự sắp xếp của bộ phát và bộ cộng hưởng hình bánh răng, có thể tận dụng sự tương tác giữa spin của photon và động lượng góc quỹ đạo của nó để tạo ra các photon “xoắn” riêng lẻ theo yêu cầu.
Chìa khóa để kích hoạt chức năng khóa động lượng quay này dựa trên khuôn mẫu hình bánh răng của bộ cộng hưởng vòng, khi được thiết kế cẩn thận trong thiết kế, sẽ tạo ra chùm ánh sáng xoáy xoắn mà thiết bị bắn ra ở tốc độ ánh sáng.
Bằng cách tích hợp những khả năng đó vào một vi mạch duy nhất có chiều ngang chỉ 20 micron — khoảng một phần tư chiều rộng của một tóc người — nhóm đã tạo ra một bộ phát photon xoắn có khả năng tương tác với các thành phần tiêu chuẩn hóa khác như một phần của hệ thống liên lạc lượng tử.
Ma nói, “Một số thách thức chính vẫn còn. Mặc dù công nghệ của nhóm có thể điều khiển hướng mà một photon xoắn ốc — theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ — vẫn cần nhiều công việc hơn để điều khiển số chế độ động lượng góc quỹ đạo chính xác. Khả năng quan trọng đó sẽ cho phép một phạm vi vô hạn về mặt lý thuyết của các giá trị khác nhau được “ghi” vào và sau đó được trích xuất từ một photon đơn lẻ. Các thí nghiệm mới nhất trong Phòng thí nghiệm Nanophotonics của Strauf cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn rằng vấn đề này có thể sớm được khắc phục.”
“Cũng cần phải nghiên cứu thêm để tạo ra một thiết bị có thể tạo ra các photon xoắn với các đặc tính lượng tử nhất quán nghiêm ngặt, nghĩa là các photon không thể phân biệt — một yêu cầu quan trọng để kích hoạt internet lượng tử. Những thách thức như vậy ảnh hưởng đến tất cả những người làm việc trong lĩnh vực lượng tử lượng tử và có thể cần những bước đột phá trong khoa học vật liệu để giải quyết.”
“Còn rất nhiều thách thức ở phía trước. Nhưng chúng tôi đã cho thấy tiềm năng tạo ra các nguồn ánh sáng lượng tử linh hoạt hơn bất kỳ thứ gì có thể có trước đây.”
Tạp chí tham khảo:
- Yichen Ma và cộng sự, Khóa quỹ đạo quay trên chip của các bộ phát lượng tử trong vật liệu 2D để phát xạ đối kháng, quang học (Năm 2022). DOI: 10.1364 / OPTICA.463481
