Twisty-fotoner kunne sætte turbo på næste generations kvantekommunikation

Kvantecomputere og kommunikationsenheder fungerer ved at indkode information til individuelle eller sammenfiltrede fotoner, hvilket gør det muligt at kvantesikkert transmittere data og manipulere eksponentielt hurtigere end det er muligt med konventionel elektronik. Nu har kvanteforskere ved Stevens Institute of Technology demonstreret en metode til at kode meget mere information ind i en enkelt foton, hvilket åbner døren til endnu hurtigere og mere kraftfulde kvantekommunikationsværktøjer.

Typisk "skriver" kvantekommunikationssystemer information på en fotons spin-vinkelmomentum. I dette tilfælde udfører fotoner enten en højre eller venstre cirkulær rotation eller danner en kvantesuperposition af de to kendt som en todimensionel qubit.

Det er også muligt at indkode information på en fotons orbitale vinkelmomentum - proptrækkerens bane, som lyset følger, når det vrider sig og vrider sig fremad, hvor hver foton cirkler rundt om midten af ​​strålen. Når spin- og vinkelmomentet griber ind i hinanden, danner det en højdimensionel qudit – hvilket gør det muligt at kode en hvilken som helst af et teoretisk uendeligt område af værdier ind i og udbredes af en enkelt foton.

Qubits og qudits, også kendt som flyvende qubits og flyvende qudits, bruges til at udbrede information lagret i fotoner fra et punkt til et andet. Den største forskel er, at qudits kan bære meget mere information over den samme afstand end qubits, hvilket danner grundlaget for turboopladning af næste generations kvantekommunikation.

I en forsidehistorie i august 2022-udgaven af ​​Optica , viser forskere ledet af Stefan Strauf, leder af NanoPhotonics Lab hos Stevens, at de kan skabe og kontrollere individuelle flyvende qudits, eller "snoede" fotoner, efter behov – et gennembrud, der dramatisk kunne udvide mulighederne for kvantekommunikationsværktøjer.

"Normalt er spin vinkelmomentum og orbital vinkelmomentum uafhængige egenskaber af en foton. Vores enhed er den første til at demonstrere samtidig kontrol af begge egenskaber via den kontrollerede kobling mellem de to," forklarede Yichen Ma, en kandidatstuderende i Straufs NanoPhotonics Lab , der ledede forskningen i samarbejde med Liang Feng ved University of Pennsylvania, og Jim Hone ved Columbia University.

"Det, der gør det til en stor ting, er, at vi har vist, at vi kan gøre dette med enkelte fotoner frem for klassiske lysstråler, hvilket er det grundlæggende krav til enhver form for kvantekommunikationsapplikation," sagde Ma.

Indkodning af information til orbital vinkelmomentum øger radikalt den information, der kan transmitteres, forklarede Ma. Udnyttelse af "snoede" fotoner kan øge båndbredden af ​​kvantekommunikationsværktøjer, hvilket gør dem i stand til at transmittere data langt hurtigere.

For at skabe snoede fotoner brugte Straufs team en atomtyk film af wolframdiselenid, et kommende nyt halvledermateriale, til at skabe en kvanteemitter, der er i stand til at udsende enkelte fotoner.

Dernæst koblede de kvanteemitteren i et internt reflekterende doughnut-formet rum kaldet en ringresonator. Ved at finjustere arrangementet af emitteren og den tandhjulsformede resonator er det muligt at udnytte interaktionen mellem fotonens spin og dens orbitale vinkelmomentum til at skabe individuelle "snoede" fotoner efter behov.

Nøglen til at aktivere denne spin-momentum-låsende funktionalitet er afhængig af det gearformede mønster af ringresonatoren, der, når den er omhyggeligt konstrueret i designet, skaber den snoede hvirvelstråle af lys, som enheden skyder ud med lysets hastighed.

Ved at integrere disse egenskaber i en enkelt mikrochip, der kun måler 20 mikrometer på tværs - omkring en fjerdedel af bredden af ​​et menneskehår - har teamet skabt en snoet foton-emitter, der er i stand til at interagere med andre standardiserede komponenter som en del af et kvantekommunikationssystem.

Der er nogle vigtige udfordringer tilbage. Mens holdets teknologi kan styre retningen, som en foton spiraler i - med uret eller mod uret - er der behov for mere arbejde for at kontrollere det nøjagtige kredsløbsvinkelmoment-modenummer. Det er den kritiske evne, der vil gøre det muligt at "skrive" et teoretisk uendeligt udvalg af forskellige værdier ind i og senere udvinde fra en enkelt foton. De seneste eksperimenter i Straufs Nanophotonics Lab viser lovende resultater, at dette problem snart kan overvindes, ifølge Ma.

Der er også behov for yderligere arbejde for at skabe en enhed, der kan skabe snoede fotoner med strengt konsistente kvanteegenskaber, dvs. fotoner, der ikke kan skelnes - et nøglekrav for at aktivere kvanteinternettet. Sådanne udfordringer påvirker alle, der arbejder med kvantefotonik og kan kræve nye gennembrud inden for materialevidenskab at løse, sagde Ma.

"Der ligger masser af udfordringer forude," tilføjede han. "Men vi har vist potentialet for at skabe kvantelyskilder, der er mere alsidige end noget, der tidligere var muligt." + Udforsk yderligere

Skræddersyede enkeltfotoner:Optisk kontrol af fotoner som nøglen til nye teknologier