‘Vridde’ fotoner kan turbolade neste generasjons kvantekommunikasjon

Kvantedatamaskiner og kommunikasjonsenheter fungerer ved å kode informasjon til individuelle eller sammenfiltrede fotoner, slik at data kan kvantesikkert overføres og manipuleres eksponentielt raskere enn det som er mulig med konvensjonell elektronikk. Nå har kvanteforskere ved Stevens Institute of Technology demonstrert en metode for å kode mye mer informasjon til et enkelt foton, og åpner døren for enda raskere og kraftigere kvantekommunikasjonsverktøy.

Vanligvis “skriver” kvantekommunikasjonssystemer informasjon på et fotons spinn vinkelmomentum. I dette tilfellet utfører fotoner enten en høyre eller venstre sirkulær rotasjon, eller danner en kvantesuperposisjon av de to kjent som en todimensjonal qubit.

Det er også mulig å kode informasjon på et fotons orbitalvinkel momentum– korketrekkerbanen som lyset følger når det vrir seg og dreier seg fremover, med hvert foton som sirkler rundt midten av strålen. Når spinn og vinkelmomentet griper sammen, danner det en høydimensjonal qudit – noe som gjør at en hvilken som helst av et teoretisk uendelig verdiområde kan kodes inn i og forplantes av et enkelt foton.

Qubits og qudits, også kjent som flygende qubits og flygende qudits, brukes til å forplante informasjon som er lagret i fotoner fra ett punkt til et annet. Hovedforskjellen er at qudits kan bære mye mer informasjon over samme avstand enn qubits, og gir grunnlaget for turbolading av neste generasjons kvantekommunikasjon.

I en forsideartikkel i august 2022-utgaven av OPTISKviser forskere ledet av Stefan Strauf, leder av NanoPhotonics Lab ved Stevens, at de kan lage og kontrollere individuelle flygende qudits, eller “vridde” fotoner, på forespørsel – et gjennombrudd som dramatisk kan utvide mulighetene til kvantekommunikasjonsverktøy.

“Vanligvis er spinnvinkelmomentumet og orbitalvinkelmomentet uavhengige egenskaper til et foton. Vår enhet er den første som demonstrerer samtidig kontroll av begge egenskapene via den kontrollerte koblingen mellom de to,” forklarte Yichen Ma, en doktorgradsstudent ved Straufs NanoPhotonics Lab , som ledet forskningen i samarbeid med Liang Feng ved University of Pennsylvania, og Jim Hone ved Columbia University.

“Det som gjør det til en stor sak er at vi har vist at vi kan gjøre dette med enkeltfotoner i stedet for klassiske lysstråler, som er det grunnleggende kravet for enhver form for kvantekommunikasjonsapplikasjon,” sa Ma.

Koding av informasjon til orbital vinkelmoment øker radikalt informasjonen som kan overføres, forklarte Ma. Å utnytte “vridde” fotoner kan øke båndbredden til kvantekommunikasjonsverktøy, slik at de kan overføre data langt raskere.

For å lage kronglete fotoner brukte Straufs team en atomtykk film av wolframdiselenid, et kommende nytt halvledermateriale, for å lage en kvantemitter som er i stand til å sende ut enkeltfotoner.

Deretter koblet de kvanteemitteren i et internt reflekterende smultringformet rom kalt en ringresonator. Ved å finjustere arrangementet av emitteren og den tannhjulformede resonatoren, er det mulig å utnytte samspillet mellom fotonets spinn og dets orbitale vinkelmomentum for å lage individuelle “vridde” fotoner på forespørsel.

Nøkkelen til å aktivere denne spin-momentum-låsefunksjonaliteten er avhengig av det tannhjulformede mønsteret til ringresonatoren, som når den er nøye konstruert i designet, skaper den svingende virvelstrålen av lys som enheten skyter ut med lysets hastighet.

Ved å integrere disse egenskapene i en enkelt mikrobrikke som måler bare 20 mikron på tvers – omtrent en fjerdedel av bredden til et menneskehår – har teamet skapt en kronglete foton-emitter som er i stand til å samhandle med andre standardiserte komponenter som en del av et kvantekommunikasjonssystem.

Noen sentrale utfordringer gjenstår. Mens teamets teknologi kan kontrollere retningen som et foton spiraler i – med eller mot klokken – kreves det mer arbeid for å kontrollere nøyaktig orbital vinkelmoment modusnummer. Det er den kritiske evnen som vil gjøre det mulig å “skrive” et teoretisk uendelig utvalg av forskjellige verdier inn i og senere trekkes ut fra en enkelt foton. Siste eksperimenter i Straufs Nanophotonics Lab viser lovende resultater at dette problemet snart kan overvinnes, ifølge Ma.

Ytterligere arbeid er også nødvendig for å lage en enhet som kan lage vridde fotoner med strengt konsistente kvanteegenskaper, dvs. utskillelige fotoner– et nøkkelkrav for å aktivere kvanteinternett. Slike utfordringer påvirker alle som jobber med kvantefotonikk og kan kreve nye gjennombrudd innen materialvitenskap å løse, sa Ma.

“Mange utfordringer ligger foran,” la han til. “Men vi har vist potensialet for å lage kvantelyskilder som er mer allsidige enn noe som tidligere var mulig.”

---

---