Quantumcomputers en communicatieapparatuur coderen informatie in individuele of verstrengelde fotonen, waardoor gegevens op een kwantumveilige manier exponentieel sneller kunnen worden verzonden en gemanipuleerd dan mogelijk is met conventionele elektronica. Nu hebben kwantumonderzoekers van het Stevens Institute of Technology een methode gedemonstreerd voor het coderen van veel meer informatie in een enkel foton, waardoor de deur wordt geopend naar nog snellere en krachtigere kwantumcommunicatietools.

Doorgaans "schrijven" kwantumcommunicatiesystemen informatie op het draaiimpulsmoment van een foton. In dit geval voeren fotonen een cirkelvormige rotatie naar rechts of naar links uit, of vormen ze een kwantumsuperpositie van de twee die bekend staat als een tweedimensionale qubit.

Het is ook mogelijk om informatie te coderen op het baanimpulsmoment van een foton - het pad van de kurkentrekker dat het licht volgt terwijl het draait en naar voren draait, waarbij elk foton rond het midden van de straal cirkelt. Wanneer de spin en het impulsmoment in elkaar grijpen, vormt het een hoogdimensionale qudit, waardoor elk van een theoretisch oneindig aantal waarden kan worden gecodeerd in en gepropageerd door een enkel foton.

Qubits en qudits, ook bekend als vliegende qubits en vliegende qudits, worden gebruikt om informatie die in fotonen is opgeslagen van het ene punt naar het andere te verspreiden. Het belangrijkste verschil is dat qudits veel meer informatie over dezelfde afstand kunnen vervoeren dan qubits, wat de basis vormt voor de volgende generatie kwantumcommunicatie als turbo.

In een omslagartikel in de uitgave van Optica . van augustus 2022 , laten onderzoekers onder leiding van Stefan Strauf, hoofd van het NanoPhotonics Lab bij Stevens, zien dat ze individuele vliegende qudits, of "kronkelige" fotonen, op aanvraag kunnen creëren en besturen - een doorbraak die de mogelijkheden van kwantumcommunicatietools drastisch zou kunnen uitbreiden.

"Normaal gesproken zijn het spin-impulsmoment en het orbitale impulsmoment onafhankelijke eigenschappen van een foton. Ons apparaat is het eerste dat gelijktijdige controle van beide eigenschappen demonstreert via de gecontroleerde koppeling tussen de twee", legt Yichen Ma, een afgestudeerde student in Strauf's NanoPhotonics Lab, uit. , die het onderzoek leidde in samenwerking met Liang Feng van de University of Pennsylvania en Jim Hone van Columbia University.

"Wat het een groot probleem maakt, is dat we hebben aangetoond dat we dit kunnen doen met enkele fotonen in plaats van klassieke lichtstralen, wat de basisvereiste is voor elke vorm van kwantumcommunicatietoepassing," zei Ma.

Het coderen van informatie in orbitaal impulsmoment verhoogt radicaal de informatie die kan worden verzonden, legde Ma uit. Het gebruik van "kronkelige" fotonen zou de bandbreedte van kwantumcommunicatietools kunnen vergroten, waardoor ze gegevens veel sneller kunnen verzenden.

Om bochtige fotonen te maken, gebruikte het team van Strauf een atoomdikke film van wolfraamdiselenide, een opkomend nieuw halfgeleidermateriaal, om een ​​kwantumemitter te creëren die in staat is om enkele fotonen uit te zenden.

Vervolgens koppelden ze de kwantumstraler in een intern reflecterende donutvormige ruimte die een ringresonator wordt genoemd. Door de opstelling van de zender en de tandwielvormige resonator te verfijnen, is het mogelijk om de interactie tussen de spin van het foton en zijn baanimpulsmoment te benutten om op verzoek individuele "kronkelige" fotonen te creëren.

De sleutel tot het mogelijk maken van deze spin-momentum-locking-functionaliteit is afhankelijk van de tandwielvormige patronen van de ringresonator, die, wanneer zorgvuldig ontworpen in het ontwerp, de bochtige vortex-lichtstraal creëert die het apparaat met de snelheid van het licht naar buiten schiet.

Door deze mogelijkheden te integreren in een enkele microchip met een doorsnede van slechts 20 micron - ongeveer een kwart van de breedte van een mensenhaar - heeft het team een ​​bochtige fotonenzender gecreëerd die in staat is om te interageren met andere gestandaardiseerde componenten als onderdeel van een kwantumcommunicatiesysteem.

Er blijven enkele belangrijke uitdagingen over. Hoewel de technologie van het team de richting kan bepalen waarin een foton spiraliseert - met de klok mee of tegen de klok in - is er meer werk nodig om het exacte nummer van de baanimpulsmomentmodus te regelen. Dat is het cruciale vermogen waarmee een theoretisch oneindig aantal verschillende waarden kan worden "geschreven" in en later geëxtraheerd uit een enkel foton. De nieuwste experimenten in Strauf's Nanophotonics Lab laten veelbelovende resultaten zien dat dit probleem snel kan worden opgelost, aldus Ma.

Er is ook meer werk nodig om een ​​apparaat te maken dat gedraaide fotonen kan maken met rigoureus consistente kwantumeigenschappen, d.w.z. niet te onderscheiden fotonen - een belangrijke vereiste om het kwantuminternet mogelijk te maken. Dergelijke uitdagingen treffen iedereen die in kwantumfotonica werkt en kunnen nieuwe doorbraken in de materiaalwetenschap vereisen om op te lossen, zei Ma.

"Er liggen veel uitdagingen in het verschiet", voegde hij eraan toe. "Maar we hebben het potentieel aangetoond voor het creëren van kwantumlichtbronnen die veelzijdiger zijn dan alles wat voorheen mogelijk was." + Verder verkennen

Op maat gemaakte enkele fotonen:optische controle van fotonen als sleutel tot nieuwe technologieën