Els fotons “torsionats” podrien turbocarregar la comunicació quàntica de nova generació


Els fotons

Un emissor quàntic capaç d’emetre fotons individuals integrat amb un ressonador en forma d’engranatge. Ajustant la disposició de l’emissor i el ressonador en forma d’engranatge, és possible aprofitar la interacció entre el gir del fotó i el seu moment angular orbital per crear fotons “retorçats” individuals a demanda. Crèdit: Stevens Institute of Technology

Els ordinadors quàntics i els dispositius de comunicació funcionen codificant informació en fotons individuals o entrellaçats, la qual cosa permet que les dades es transmetin i manipulin de manera segura i quàntica de manera exponencial més ràpid del que és possible amb l’electrònica convencional. Ara, els investigadors quàntics de l’Institut de Tecnologia Stevens han demostrat un mètode per codificar molta més informació en un sol fotó, obrint la porta a eines de comunicació quàntica encara més ràpides i potents.

Normalment, els sistemes de comunicació quàntica “escriuen” informació sobre el gir d’un fotó moment angular. En aquest cas, els fotons realitzen una rotació circular dreta o esquerra, o bé formen una superposició quàntica dels dos coneguda com a qubit bidimensional.

També és possible codificar informació a l’angular orbital d’un fotó impuls—el camí del llevataps que segueix la llum mentre gira i gira cap endavant, amb cada fotó girant al voltant del centre del feix. Quan el gir i el moment angular s’entrellacen, forma un qudit d’alta dimensió, que permet codificar i propagar qualsevol d’un rang teòricament infinit de valors en un sol fotó.

Els qubits i qudits, també coneguts com a qubits voladors i qudits voladors, s’utilitzen per propagar la informació emmagatzemada en fotons d’un punt a un altre. La diferència principal és que els qudits poden transportar molta més informació a la mateixa distància que els qubits, proporcionant la base per a la comunicació quàntica de nova generació amb turbocompressió.

En una història de portada al número d’agost de 2022 de ÒPTICAinvestigadors dirigits per Stefan Strauf, cap del Laboratori de NanoPhotonics de Stevens, demostren que poden crear i controlar qudits voladors individuals, o fotons “retorçats”, sota demanda, un avenç que podria ampliar de manera espectacular les capacitats de les eines de comunicació quàntica.

“Normalment, el moment angular de gir i el moment angular orbital són propietats independents d’un fotó. El nostre dispositiu és el primer que demostra el control simultani d’ambdues propietats mitjançant l’acoblament controlat entre les dues”, va explicar Yichen Ma, estudiant de postgrau al Laboratori de Nanofotònica de Strauf. , que va dirigir la investigació en col·laboració amb Liang Feng a la Universitat de Pennsilvània i Jim Hone a la Universitat de Columbia.

“El que fa que sigui un gran problema és que hem demostrat que podem fer-ho amb fotons únics en lloc de raigs de llum clàssics, que és el requisit bàsic per a qualsevol tipus d’aplicació de comunicació quàntica”, va dir Ma.

La codificació de la informació en el moment angular orbital augmenta radicalment la informació que es pot transmetre, va explicar Ma. L’aprofitament dels fotons “retorçats” podria augmentar l’ample de banda de les eines de comunicació quàntica, permetent-los transmetre dades molt més ràpidament.

Per crear fotons retorçats, l’equip de Strauf va utilitzar una pel·lícula de diselenur de tungstè gruixuda d’àtoms, un nou material semiconductor proper, per crear un emissor quàntic capaç d’emetre fotons individuals.

A continuació, van acoblar l’emissor quàntic en un espai en forma de donut reflectant internament anomenat ressonador d’anell. Ajustant la disposició de l’emissor i el ressonador en forma d’engranatge, és possible aprofitar la interacció entre el gir del fotó i el seu moment angular orbital per crear fotons “retorçats” individuals a demanda.

La clau per habilitar aquesta funcionalitat de bloqueig d’impuls de rotació es basa en el patró en forma d’engranatge del ressonador de l’anell, que quan es dissenya amb cura en el disseny, crea el feix de llum de vòrtex retorçat que el dispositiu dispara a la velocitat de la llum.

En integrar aquestes capacitats en un únic microxip que mesura només 20 micres de diàmetre (aproximadament una quarta part de l’amplada d’un cabell humà), l’equip ha creat un emissor de fotons retorçats capaç d’interaccionar amb altres components estandarditzats com a part d’un sistema de comunicacions quàntiques.

Queden alguns reptes clau. Tot i que la tecnologia de l’equip pot controlar la direcció en què un fotó gira en espiral (en sentit horari o antihorari), es necessita més treball per controlar la moment angular orbital número de modalitat. Aquesta és la capacitat crítica que permetrà “escriure” i després extreure’n una gamma teòricament infinita de diferents valors. fotó únic. Els últims experiments al laboratori de nanofotònica de Strauf mostren resultats prometedors que aquest problema es pot superar aviat, segons Ma.

També cal treballar més per crear un dispositiu que pugui crear fotons retorçats amb propietats quàntiques rigorosament coherents, és a dir, indistinguibles. fotons—un requisit clau per habilitar Internet quàntic. Aquests reptes afecten a tothom que treballa en fotònica quàntica i podria requerir nous avenços en la ciència dels materials per resoldre’ls, va dir Ma.

“Ens esperen molts reptes”, ha afegit. “Però hem demostrat el potencial per crear fonts de llum quàntica que siguin més versàtils que qualsevol cosa que abans era possible”.


Fotons individuals a mida: control òptic dels fotons com a clau de les noves tecnologies


Més informació:
Yichen Ma et al, Bloqueig en òrbita de rotació en xip d’emissors quàntics en materials 2D per a l’emissió quiral, ÒPTICA (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.463481

Citació: Els fotons ‘Twisty’ podrien turbocarregar la comunicació quàntica de nova generació (2022, 22 de setembre) recuperat el 23 de setembre de 2022 de https://phys.org/news/2022-09-twisty-photons-turbocharge-next-gen-quantum.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudi o investigació privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.