‘Twisty’ fotoni mogli bi potaknuti kvantnu komunikaciju sljedeće generacije


Kvantni emiter sposoban emitirati pojedinačne fotone integrirane s rezonatorom u obliku zupčanika. Finim podešavanjem rasporeda odašiljača i rezonatora u obliku zupčanika, moguće je iskoristiti interakciju između vrtnje fotona i njegovog orbitalnog kutnog momenta kako bi se stvorili pojedinačni “zavojiti” fotoni na zahtjev. Zasluge: Stevens Institute of Technology

Kvantna računala i komunikacijski uređaji rade kodiranjem informacija u pojedinačne ili zapletene fotone, omogućujući kvantno siguran prijenos podataka i eksponencijalno bržu manipulaciju nego što je to moguće s konvencionalnom elektronikom. Sada su kvantni istraživači na Stevens Institute of Technology demonstrirali metodu za kodiranje znatno više informacija u jedan foton, otvarajući vrata još bržim i snažnijim kvantnim komunikacijskim alatima.

Tipično, kvantni komunikacijski sustavi “zapisuju” informacije na spin fotona kutni moment. U ovom slučaju, fotoni izvode desnu ili lijevu kružnu rotaciju, ili tvore kvantnu superpoziciju to dvoje poznato kao dvodimenzionalni qubit.

Također je moguće kodirati informacije na orbitalni kut fotona zamah— putanja vadičepa koju svjetlost slijedi dok se uvija i zakreće prema naprijed, pri čemu svaki foton kruži oko središta zrake. Kada se spin i kutni moment isprepliću, formira visokodimenzionalni qudit—omogućujući da se bilo koja od teoretski beskonačnog raspona vrijednosti kodira i širi jednim fotonom.

Qubits i qudits, također poznati kao leteći qubits i flying qudits, koriste se za širenje informacija pohranjenih u fotonima od jedne točke do druge. Glavna razlika je u tome što quditovi mogu prenijeti mnogo više informacija na istoj udaljenosti od qubita, što predstavlja temelj za turbo punjenje kvantne komunikacije sljedeće generacije.

U priči s naslovnice izdanja časopisa za kolovoz 2022 OPTIČKIistraživači predvođeni Stefanom Straufom, voditeljem Laboratorija za nanofotoniku u Stevensu, pokazuju da mogu stvoriti i kontrolirati pojedinačne leteće qudite, ili “zavrnute” fotone, na zahtjev – što je otkriće koje bi moglo dramatično proširiti mogućnosti kvantnih komunikacijskih alata.

“Uobičajeno su spinski kutni moment i orbitalni kutni moment neovisna svojstva fotona. Naš uređaj je prvi koji pokazuje istovremenu kontrolu oba svojstva putem kontrolirane sprege između ta dva”, objasnio je Yichen Ma, diplomirani student u Straufovom laboratoriju za nanofotoniku , koji je vodio istraživanje u suradnji s Liang Fengom sa Sveučilišta Pennsylvania i Jimom Honeom sa Sveučilišta Columbia.

“Ono što čini veliku stvar je to što smo pokazali da to možemo učiniti s pojedinačnim fotonima, a ne s klasičnim svjetlosnim zrakama, što je osnovni uvjet za bilo koju vrstu kvantne komunikacijske aplikacije”, rekao je Ma.

Kodiranje informacija u orbitalni kutni moment radikalno povećava informacije koje se mogu prenijeti, objasnio je Ma. Iskorištavanje “zavojitih” fotona moglo bi povećati propusnost kvantnih komunikacijskih alata, omogućujući im daleko brži prijenos podataka.

Za stvaranje zavojitih fotona, Straufov tim koristio je film volfram diselenida debljine atoma, nadolazećeg novog poluvodičkog materijala, kako bi stvorio kvantni emiter sposoban emitirati pojedinačne fotone.

Zatim su spojili kvantni emiter u interno reflektirajući prostor u obliku krafne koji se naziva prstenasti rezonator. Finim podešavanjem rasporeda odašiljača i rezonatora u obliku zupčanika, moguće je iskoristiti interakciju između vrtnje fotona i njegovog orbitalnog kutnog momenta kako bi se stvorili pojedinačni “zavojiti” fotoni na zahtjev.

Ključ za omogućavanje ove funkcije zaključavanja vrtnje-momentuma oslanja se na zupčanički uzorak prstenastog rezonatora, koji, kada je pažljivo projektiran u dizajnu, stvara vrtložni vrtložni snop svjetlosti koji uređaj izbacuje brzinom svjetlosti.

Integriranjem tih mogućnosti u jedan mikročip veličine samo 20 mikrona u promjeru – oko četvrtine širine ljudske dlake – tim je stvorio emiter zavojitih fotona sposoban za interakciju s drugim standardiziranim komponentama kao dio kvantnog komunikacijskog sustava.

Neki ključni izazovi ostaju. Dok tehnologija tima može kontrolirati smjer u kojem se foton spiralno okreće—u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu—potrebno je više rada za kontrolu točnog orbitalni kutni moment broj načina rada. To je kritična sposobnost koja će omogućiti da se teoretski beskonačan raspon različitih vrijednosti “upiše” i kasnije izvuče iz pojedinačni foton. Najnoviji eksperimenti u Straufovom laboratoriju za nanofotoniku pokazuju obećavajuće rezultate da se ovaj problem može uskoro prevladati, prema Ma.

Potreban je daljnji rad kako bi se stvorio uređaj koji može stvoriti upletene fotone sa rigorozno dosljednim kvantnim svojstvima, tj. nerazlučivim fotoni— ključni uvjet za omogućavanje kvantnog interneta. Takvi izazovi utječu na sve koji rade u kvantnoj fotonici i mogli bi zahtijevati nova otkrića u znanosti o materijalima za rješavanje, rekao je Ma.

“Puno je izazova pred nama”, dodao je. “Ali pokazali smo potencijal za stvaranje kvantnih izvora svjetlosti koji su svestraniji od bilo čega što je prije bilo moguće.”


Prilagođeni pojedinačni fotoni: optička kontrola fotona kao ključ novih tehnologija


Više informacija:
Yichen Ma et al, On-chip spin-orbit locking kvantnih emitera u 2D materijalima za kiralnu emisiju, OPTIČKI (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481

Citat: ‘Twisty’ fotoni mogli bi turbo potaknuti kvantnu komunikaciju sljedeće generacije (2022., 22. rujna) preuzeto 23. rujna 2022. s https://phys.org/news/2022-09-twisty-photons-turbocharge-next-gen-quantum.html

Ovaj dokument podliježe autorskim pravima. Osim poštenog poslovanja u svrhu privatnog proučavanja ili istraživanja, niti jedan dio ne smije se reproducirati bez pismenog dopuštenja. Sadržaj je dat samo u informativne svrhe.