„Изкривените“ фотони могат да стимулират квантовата комуникация от следващо поколение


„Изкривените“ фотони могат да стимулират квантовата комуникация от следващо поколение

Квантов излъчвател, способен да излъчва единични фотони, интегриран с резонатор с форма на зъбно колело. Чрез фина настройка на разположението на емитера и резонатора с форма на зъбно колело е възможно да се използва взаимодействието между въртенето на фотона и неговия орбитален ъглов импулс, за да се създадат отделни „усукани“ фотони при поискване. Кредит: Технологичен институт Стивънс

Квантовите компютри и комуникационните устройства работят чрез кодиране на информация в отделни или заплетени фотони, което позволява данните да бъдат квантово сигурно предавани и манипулирани експоненциално по-бързо, отколкото е възможно с конвенционалната електроника. Сега квантовите изследователи от Технологичния институт на Стивънс демонстрираха метод за кодиране на много повече информация в един фотон, отваряйки вратата към още по-бързи и по-мощни инструменти за квантова комуникация.

Обикновено квантовите комуникационни системи “записват” информация върху въртенето на фотона ъглов момент. В този случай фотоните извършват дясно или ляво кръгово въртене или образуват квантова суперпозиция на двете, известна като двуизмерен кубит.

Също така е възможно да се кодира информация върху орбиталния ъгъл на фотона импулс— пътят на тирбушон, който светлината следва, докато се извива и върти напред, като всеки фотон обикаля около центъра на лъча. Когато въртенето и ъгловият импулс се блокират, той образува високомерен qudit – позволяващ всяка от теоретично безкраен диапазон от стойности да бъде кодирана в и разпространена от един фотон.

Кубитите и кудитите, известни още като летящи кубити и летящи кудити, се използват за разпространение на информация, съхранена във фотони, от една точка до друга. Основната разлика е, че qudits могат да пренасят много повече информация на същото разстояние от qubits, осигурявайки основата за турбокомпресор на следващото поколение квантова комуникация.

В история на корицата в изданието от август 2022 г ОПТИЧЕНизследователи, ръководени от Щефан Щрауф, ръководител на лабораторията по нанофотоника в Стивънс, показват, че могат да създават и контролират отделни летящи кудити или „изкривени“ фотони, при поискване – пробив, който може драстично да разшири възможностите на инструментите за квантова комуникация.

„Обикновено ъгловият импулс на въртене и орбиталният ъглов импулс са независими свойства на фотона. Нашето устройство е първото, което демонстрира едновременен контрол на двете свойства чрез контролирано свързване между двете“, обясни Йичен Ма, студент в лабораторията по нанофотоника на Strauf , който ръководи изследването в сътрудничество с Liang Feng от Университета на Пенсилвания и Джим Хоун от Колумбийския университет.

„Това, което го прави голяма работа, е, че ние показахме, че можем да направим това с единични фотони, а не с класически светлинни лъчи, което е основното изискване за всеки вид приложение за квантова комуникация“, каза Ма.

Кодирането на информация в орбитален ъглов импулс радикално увеличава информацията, която може да бъде предадена, обясни Ма. Използването на “изкривени” фотони може да увеличи честотната лента на инструментите за квантова комуникация, позволявайки им да предават данни много по-бързо.

За да създаде усукани фотони, екипът на Щрауф използва филм с дебелина на атом от волфрамов диселенид, предстоящ нов полупроводников материал, за да създаде квантов излъчвател, способен да излъчва единични фотони.

След това те свързват квантовия емитер във вътрешно отразяващо пространство с форма на поничка, наречено пръстеновиден резонатор. Чрез фина настройка на разположението на емитера и резонатора с форма на зъбно колело е възможно да се използва взаимодействието между въртенето на фотона и неговия орбитален ъглов импулс, за да се създадат отделни „усукани“ фотони при поискване.

Ключът към активирането на тази функционалност за блокиране на въртене-импулс се основава на шарката във формата на зъбно колело на пръстеновидния резонатор, която, когато е внимателно проектирана в дизайна, създава усукания вихров лъч от светлина, който устройството изстрелва със скоростта на светлината.

Чрез интегрирането на тези възможности в един микрочип с размери само 20 микрона напречно – около една четвърт от ширината на човешки косъм – екипът е създал излъчвател на усукани фотони, способен да взаимодейства с други стандартизирани компоненти като част от квантова комуникационна система.

Остават някои ключови предизвикателства. Въпреки че технологията на екипа може да контролира посоката, в която фотонът се върти спирално – по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка – е необходима повече работа, за да се контролира точната орбитален ъглов момент номер на режима. Това е критичната способност, която ще позволи на теоретично безкраен диапазон от различни стойности да бъдат „записани“ и по-късно извлечени от единичен фотон. Последните експерименти в лабораторията за нанофотоника на Strauf показват обещаващи резултати, че този проблем може скоро да бъде преодолян, според Ма.

Необходима е и допълнителна работа за създаване на устройство, което може да създава усукани фотони със строго последователни квантови свойства, т.е. неразличими фотони— ключово изискване за активиране на квантовия интернет. Такива предизвикателства засягат всички, работещи в квантовата фотоника, и може да изискват нови пробиви в науката за материалите, за да бъдат решени, каза Ма.

„Предстоят много предизвикателства“, добави той. “Но ние показахме потенциала за създаване на квантови източници на светлина, които са по-гъвкави от всичко, което е било възможно преди.”


Персонализирани единични фотони: Оптичен контрол на фотони като ключ към новите технологии


Повече информация:
Yichen Ma et al, Заключване на спин-орбита на чип на квантови емитери в 2D материали за хирална емисия, ОПТИЧЕН (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481

Цитат: „Twisty“ фотоните могат да турбокомпресорират квантовата комуникация от следващо поколение (2022 г., 22 септември) извлечено на 22 септември 2022 г. от https://phys.org/news/2022-09-twisty-photons-turbocharge-next-gen-quantum.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.