„Twisty“ fotonai gali sustiprinti naujos kartos kvantinį ryšį


„Twisty“ fotonai gali sustiprinti naujos kartos kvantinį ryšį

Kvantinis spinduolis, galintis skleisti pavienius fotonus, integruotas su krumpliaračio formos rezonatoriumi. Tiksliai sureguliavus emiterio ir krumpliaračio formos rezonatoriaus išdėstymą, galima panaudoti fotono sukimosi ir jo orbitos kampinio momento sąveiką, kad būtų sukurti atskiri „sukti“ fotonai pagal poreikį. Kreditas: Stevenso technologijos institutas

Kvantiniai kompiuteriai ir ryšio įrenginiai veikia koduodami informaciją į atskirus arba susipynusius fotonus, leidžiančius duomenis kvantiškai saugiai perduoti ir manipuliuoti eksponentiškai greičiau, nei tai įmanoma naudojant įprastą elektroniką. Dabar Stevenso technologijos instituto kvantiniai tyrinėtojai pademonstravo metodą, kaip į vieną fotoną koduoti daug daugiau informacijos, atveriant duris dar greitesnėms ir galingesnėms kvantinės komunikacijos priemonėms.

Paprastai kvantinės komunikacijos sistemos „įrašo“ informaciją ant fotono sukimosi kampinis pagreitis. Šiuo atveju fotonai sukasi arba į kairę, arba į dešinę, arba sudaro jų dviejų kvantinę superpoziciją, žinomą kaip dvimatis kubitas.

Taip pat galima užkoduoti informaciją į fotono orbitos kampą pagreitį– kamščiatraukis, kuriuo seka šviesa besisukdama ir sukdama į priekį, o kiekvienas fotonas sukasi aplink spindulio centrą. Kai sukimasis ir kampinis impulsas susilieja, jis sudaro didelės dimensijos quditą, leidžiantį bet kurią iš teoriškai begalinio verčių diapazono užkoduoti į vieną fotoną ir skleisti juo.

Kubitai ir kvitai, dar žinomi kaip skraidantys kubitai ir skraidantys kvitai, naudojami fotonuose saugomai informacijai skleisti iš vieno taško į kitą. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad quditai gali pernešti daug daugiau informacijos per tą patį atstumą nei kubitai, o tai yra pagrindas naujos kartos kvantiniam ryšiui turbokompresuoti.

2022 m. rugpjūčio mėnesio numerio viršelio istorijoje OPTIKAtyrėjai, vadovaujami Stefano Straufo, Stevenso nanofotografijos laboratorijos vadovo, rodo, kad jie gali sukurti ir valdyti atskirus skraidančius kuditus arba „suktus“ fotonus pagal poreikį – tai proveržis, galintis smarkiai išplėsti kvantinės komunikacijos įrankių galimybes.

“Paprastai sukimosi kampinis momentas ir orbitos kampinis momentas yra nepriklausomos fotono savybės. Mūsų prietaisas yra pirmasis, parodantis tuo pačiu metu abiejų savybių valdymą per kontroliuojamą jų abiejų jungtį”, – paaiškino Yichen Ma, Straufo nanofotonikos laboratorijos absolventas. , kuris vadovavo tyrimui bendradarbiaudamas su Liang Feng Pensilvanijos universitete ir Jimu Hone’u iš Kolumbijos universiteto.

„Didelis dalykas yra tai, kad mes parodėme, kad galime tai padaryti su atskirais fotonais, o ne klasikiniais šviesos spinduliais, o tai yra pagrindinis reikalavimas bet kokiai kvantinio ryšio programai“, – sakė Ma.

Informacijos kodavimas į orbitos kampinį momentą radikaliai padidina informacijos, kurią galima perduoti, skaičių, paaiškino Ma. „Susuktų“ fotonų panaudojimas gali padidinti kvantinės komunikacijos įrankių pralaidumą, leidžiantį jiems daug greičiau perduoti duomenis.

Siekdama sukurti vingiuotus fotonus, Straufo komanda panaudojo atomo storio volframo diselenido plėvelę, būsimą naują puslaidininkinę medžiagą, kad sukurtų kvantinį spinduolį, galintį skleisti pavienius fotonus.

Tada jie sujungė kvantinį spinduliuotę viduje atspindinčioje spurgos formos erdvėje, vadinamoje žiedo rezonatoriumi. Tiksliai sureguliavus emiterio ir krumpliaračio formos rezonatoriaus išdėstymą, galima panaudoti fotono sukimosi ir jo orbitos kampinio momento sąveiką, kad būtų sukurti atskiri „sukti“ fotonai pagal poreikį.

Raktas, leidžiantis įgalinti šią sukimosi impulso fiksavimo funkciją, priklauso nuo krumpliaračio formos žiedinio rezonatoriaus rašto, kuris kruopščiai suprojektuotas sukuria vingiuotą sūkurinį šviesos spindulį, kurį prietaisas išskiria šviesos greičiu.

Integruodama šias galimybes į vieną mikroschemą, kurios skersmuo yra vos 20 mikronų – maždaug ketvirtadalį žmogaus plauko pločio – komanda sukūrė susuktą fotonų spinduliuotę, galinčią sąveikauti su kitais standartizuotais komponentais kaip kvantinių ryšių sistemos dalį.

Kai kurie pagrindiniai iššūkiai išlieka. Nors komandos technologija gali valdyti fotono spiralės kryptį – pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę – reikia daugiau darbo, kad būtų galima tiksliai valdyti orbitos kampinis momentas režimo numeris. Tai yra kritinė galimybė, kuri leis teoriškai begalinį įvairių reikšmių diapazoną „įrašyti“ ir vėliau iš jos išgauti. vienas fotonas. Pasak Ma, naujausi eksperimentai Straufo nanofotonikos laboratorijoje rodo daug žadančius rezultatus, kad šią problemą galima greitai įveikti.

Taip pat reikia toliau dirbti kuriant įrenginį, galintį sukurti susuktus fotonus, turinčius griežtai nuoseklias kvantines savybes, ty niekuo neišsiskiriančius. fotonai– pagrindinis reikalavimas įgalinti kvantinį internetą. Tokie iššūkiai turi įtakos visiems, dirbantiems kvantinės fotonikos srityje, ir gali prireikti naujų medžiagų mokslo proveržių, sakė Ma.

„Laukia daug iššūkių“, – pridūrė jis. “Tačiau mes parodėme galimybę sukurti kvantinius šviesos šaltinius, kurie yra universalesni nei bet kas, kas anksčiau buvo įmanoma.”


Pritaikyti pavieniai fotonai: optinis fotonų valdymas kaip naujų technologijų raktas


Daugiau informacijos:
Yichen Ma ir kt., Kvantinių spinduliuotės lusto sukimosi orbitos fiksavimas 2D medžiagose, siekiant chiralinės emisijos, OPTIKA (2022). DOI: 10.1364 / OPTICA.463481

Citata: „Twisty“ fotonai gali sustiprinti naujos kartos kvantinį ryšį (2022 m., rugsėjo 22 d.), gauta 2022 m. rugsėjo 23 d. iš https://phys.org/news/2022-09-twisty-photons-turbocharge-next-gen-quantum.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.