En kvantemitter som kan sända ut enstaka fotoner integrerade med en kuggformad resonator. Genom att finjustera arrangemanget av sändaren och den kugghjulsformade resonatorn är det möjligt att utnyttja interaktionen mellan fotonens spinn och dess omloppsrörelsemängd för att skapa individuella "vridna" fotoner på begäran. Kredit:Stevens Institute of Technology
Kvantdatorer och kommunikationsenheter fungerar genom att koda information till individuella eller intrasslade fotoner, vilket möjliggör att data kvantsäkert överförs och manipuleras exponentiellt snabbare än vad som är möjligt med konventionell elektronik. Nu har kvantforskare vid Stevens Institute of Technology demonstrerat en metod för att koda mycket mer information till en enda foton, vilket öppnar dörren till ännu snabbare och kraftfullare kvantkommunikationsverktyg.
Vanligtvis "skriver" kvantkommunikationssystem information på en fotons spinnvinkelmomentum. I det här fallet utför fotoner antingen en höger- eller vänstercirkulär rotation, eller bildar en kvantöverlagring av de två som kallas en tvådimensionell qubit.
Det är också möjligt att koda information på en fotons omloppsrörelsemängd – korkskruvens väg som ljuset följer när det vrider sig och vrider sig framåt, med varje foton cirkulerande runt strålens mitt. När spinn och rörelsemängd kopplas ihop bildar den en högdimensionell qudit – vilket gör det möjligt att koda in vilket som helst av ett teoretiskt oändligt intervall av värden till och fortplantas av en enda foton.
Qubits och qudits, även kända som flygande qubits och flygande qudits, används för att sprida information som lagras i fotoner från en punkt till en annan. Den största skillnaden är att qudits kan bära mycket mer information över samma avstånd än qubits, vilket ger grunden för turboladdning av nästa generations kvantkommunikation.
I en omslagsartikel i augustinummer 2022 av Optica , visar forskare under ledning av Stefan Strauf, chef för NanoPhotonics Lab vid Stevens, att de kan skapa och kontrollera individuella flygande qudits, eller "twisty" fotoner, på begäran – ett genombrott som dramatiskt skulle kunna utöka kapaciteten hos kvantkommunikationsverktyg.
"Normalt är rotationsrörelsemängden och den orbitala rörelsemängden oberoende egenskaper hos en foton. Vår enhet är den första som visar samtidig kontroll av båda egenskaperna via den kontrollerade kopplingen mellan de två", förklarade Yichen Ma, doktorand vid Straufs NanoPhotonics Lab , som ledde forskningen i samarbete med Liang Feng vid University of Pennsylvania, och Jim Hone vid Columbia University.
"Vad som gör det till en stor sak är att vi har visat att vi kan göra det här med enstaka fotoner snarare än klassiska ljusstrålar, vilket är grundkravet för alla typer av kvantkommunikationstillämpningar," sa Ma.
Att koda information till omloppsrörelsemängden ökar radikalt informationen som kan överföras, förklarade Ma. Att utnyttja "twisty" fotoner kan öka bandbredden för kvantkommunikationsverktyg, vilket gör det möjligt för dem att överföra data mycket snabbare.
För att skapa vridna fotoner använde Straufs team en atomtjock film av volframdiselenid, ett kommande nytt halvledarmaterial, för att skapa en kvantemitter som kan sända ut enstaka fotoner.
Därefter kopplade de kvantemittern i ett internt reflekterande munkformat utrymme som kallas en ringresonator. Genom att finjustera arrangemanget av emittern och den kugghjulsformade resonatorn är det möjligt att utnyttja interaktionen mellan fotonens spinn och dess orbitala vinkelmomentum för att skapa individuella "vridna" fotoner på begäran.
Nyckeln till att aktivera denna spin-momentum-låsande funktionalitet är beroende av det kugghjulsformade mönstret hos ringresonatorn, som när den är noggrant konstruerad i designen, skapar den vridna virvelstrålen av ljus som enheten skjuter ut med ljusets hastighet.
Genom att integrera dessa funktioner i ett enda mikrochip som bara mäter 20 mikron i diameter - ungefär en fjärdedel av ett människohårs bredd - har teamet skapat en twisty-photon emitter som kan interagera med andra standardiserade komponenter som en del av ett kvantkommunikationssystem.
Några viktiga utmaningar kvarstår. Medan teamets teknologi kan styra i vilken riktning en foton spiraler – medurs eller moturs – krävs mer arbete för att kontrollera det exakta pulsmomentlägets nummer. Det är den kritiska förmågan som gör att ett teoretiskt oändligt intervall av olika värden kan "skrivas" in i och senare extraheras från en enda foton. De senaste experimenten i Straufs Nanophotonics Lab visar lovande resultat att detta problem snart kan övervinnas, enligt Ma.
Ytterligare arbete behövs också för att skapa en enhet som kan skapa vridna fotoner med noggrant konsekventa kvantegenskaper, d.v.s. oskiljbara fotoner – ett nyckelkrav för att möjliggöra kvantinternet. Sådana utmaningar påverkar alla som arbetar med kvantfotonik och kan kräva nya genombrott inom materialvetenskap att lösa, sa Ma.
"Många utmaningar ligger framför oss," tillade han. "Men vi har visat potentialen för att skapa kvantljuskällor som är mer mångsidiga än något som tidigare var möjligt." + Utforska vidare
