量子發射器,能夠發射與齒輪形諧振器集成的單個光子。通過微調發射器和齒輪形狀諧振器的排列,可以利用光子自旋與其軌道角動量之間的相互作用,根據需要創建單個「彎曲」光子。
我是斜槓青年,一個被前沿技術耽誤掙錢的「雜食性」學者!
量子計算機和通信設備的工作原理是將信息編碼為單個或糾纏的光子,使數據能夠比傳統電子設備更快地安全地傳輸和操作數據。現在,史蒂文斯理工學院的量子研究人員已經演示了一種將更多信息編碼到單個光子中的方法,為更快、更強大的量子通信工具打開了大門。
通常,量子通信系統將信息「寫入」到光子的自旋角動量上。在這種情況下,光子進行左右圓形旋轉,或形成稱為二維量子位的量子疊加。
還可以將信息編碼到光子的軌道角動量上——光在扭曲和向前扭矩時跟隨的開瓶器路徑,每個光子圍繞光束中心旋轉。當自旋和角動量互鎖時,它形成一個高維qudit——使理論上無限範圍的任何值都可以編碼成一個光子並由單個光子傳播。
Qubits和qudit,也稱為飛行qubits和flyed qudits,用於將存儲在光子中的信息從一個點傳播到另一個點。主要區別在於,qudit可以在相同的距離上攜帶比量子比特多得多的信息,為下一代量子通信提供渦輪增壓的基礎。
在2022年8月的《Optica》的封面故事中,由史蒂文斯納米光子學實驗室負責人Stefan Strauf領導的研究人員表明,他們可以按需創建和控制單個飛行qudit或「機智」光子——這一突破可以極大地擴展量子通信工具的能力。
通常,自旋角動量和軌道角動量是光子的獨立性質。他們的設備是第一個通過兩者之間的受控耦合同時控制這兩種屬性的設備。
這很重要的是,該研究已經證明我們可以用單光子而不是經典光束來做到這一點,這是任何類型的量子通信應用的基本要求。
將信息編碼到軌道角動量中會從根本上增加可以傳輸的信息。利用「輕快」的光子可以提高量子通信工具的帶寬,使它們能夠更快地傳輸數據。
為了創造扭曲的光子,施特勞夫的團隊使用一種即將推出的新型半導體材料二烯化鎢的原子厚薄膜來創造出一種能夠發射單個光子的量子發射器。
接下來,他們將量子發射器耦合在一個稱為環形諧振器的內部反射甜甜圈形狀的空間中。通過微調發射器和齒輪形狀諧振器的排列,可以利用光子自旋與其軌道角動量之間的相互作用,按需創建單個「彎曲」光子。
啟用這種旋轉鍾鎖定功能的關鍵在於環形諧振器的齒輪形狀圖案,當在設計中仔細設計時,可以產生扭曲的渦流光束,設備以光速發射出來。
通過將這些功能集成到一個直徑僅為20微米的微晶片中——約占人類頭髮寬度的四分之一——該團隊創造了一個扭曲的光子發射器,能夠與其他標準化組件交互,作為量子通信系統的一部分。
一些關鍵挑戰仍然存在。雖然團隊的技術可以控制光子螺旋的方向——順時針或逆時針方向,但需要做更多的工作來控制精確的軌道角動量模式數。這是一種關鍵能力,可以將理論上無限範圍的不同值「寫入」到單個光子中,然後從單個光子中提取。施特勞夫納米光子學實驗室的最新實驗顯示,這個問題很快就能克服。
還需要進一步工作來創建一個可以創建具有嚴格一致量子屬性的扭曲光子的設備,即不可區分的光子——這是啟用量子網際網路的關鍵要求。這些挑戰影響了從事量子光子學工作的每個人,可能需要材料科學的新突破才能解決。
前面有很多挑戰。但研究團隊已經展示了創造比以前任何可能的東西都更通用的量子光源的潛力。
了解更多前沿技術,關注我就是你最好的選擇!