通常，信息被“写入”到量子通信系统中光子的自旋角动量上。 在这种情况下，光子要么进行右旋或左旋旋转，要么结合产生二维 量子比特，两者的量子叠加。 信息还可以存储在光子的轨道角动量上，当每个光子绕光束中心旋转时，光在前进时会采用螺旋形路径。
量子比特和量子点将存储在光子中的信息从一个点传播到另一个点。 主要区别在于，qudits 可以在相同距离上携带比 qubits 更多的信息，为下一代涡轮增压提供基础 量子通讯.
在一项新的研究中，量子科学家 史蒂文生理工学院 已经展示了一种将更多信息编码到单个光子中的方法，为更快、更强大的量子通信工具打开了大门。 他们还表明，他们可以根据需要创建和控制单个飞行量子点或“扭曲”光子。
Strauf纳米光子学实验室的研究生Yichen Ma说， “通常，自旋角动量和轨道角动量是光子的独立属性。 我们的设备是第一个通过两者之间的受控耦合来证明同时控制这两种属性的设备。 我们已经证明我们可以用单光子而不是经典光束来做到这一点，这是一件大事，这是任何量子通信应用的基本要求。”
“将信息编码为轨道角动量从根本上增加了可以传输的信息。 利用“扭曲”光子可以提高量子通信工具的带宽，使它们能够更快地传输数据。”
科学家们使用原子厚的二硒化钨薄膜来制造扭曲的光子，从而制造出能够发射单个光子的量子发射器。 接下来，他们将量子发射器耦合到称为环形谐振器的内部反射环形空间中。 通过微调发射器和齿轮形谐振器的排列，可以利用光子自旋与其轨道角动量之间的相互作用来按需创建单个“扭曲”光子。
启用这种自旋动量锁定功能的关键在于环形谐振器的齿轮状图案，当在设计中精心设计时，它会产生扭曲的涡旋光束，设备会在 光速.
通过将这些功能集成到一个直径仅为 20 微米的微芯片中——大约是一个宽度的四分之一 人的头发 — 该团队创建了一种扭曲光子发射器，能够与其他标准化组件交互，作为量子通信系统的一部分。
Ma 说过, “一些关键挑战仍然存在。 虽然该团队的技术可以控制光子螺旋的方向——顺时针或逆时针——但需要做更多的工作来控制精确的轨道角动量模式数。 这种关键能力将使理论上无限范围的不同值能够“写入”到单个光子中，然后再从单个光子中提取出来。 施特劳夫纳米光子学实验室的最新实验表明，这个问题很快就会得到解决。”
“还需要进一步的工作来创造一种能够产生具有严格一致的量子特性的扭曲光子的设备，即无法区分的光子——这是实现 量子互联网. 这些挑战影响着每个从事量子光子学工作的人，可能需要材料科学的突破才能解决。”
“许多挑战摆在面前。 但我们已经展示了创造量子光源的潜力，这种光源比以前任何可能的方法都更加通用。”
杂志参考：
- Yichen Ma 等人，用于手性发射的二维材料中量子发射器的片上自旋轨道锁定， 。光学 （2022）。 DOI： 10.1364/光学.463481
