“Twisty”光子可以涡轮增压下一代量子通信
量子发射器 ， 能够发射与齿轮形谐振器集成的单个光子 。 通过微调发射器和齿轮形状谐振器的排列 ， 可以利用光子自旋与其轨道角动量之间的相互作用 ， 根据需要创建单个“弯曲”光子 。 来源：史蒂文斯理工学院我是斜杠青年 ， 一个被前沿技术耽误挣钱的“杂食性”学者！
量子计算机和通信设备的工作原理是将信息编码为单个或纠缠的光子 ， 使数据能够比传统电子设备更快地安全地传输和操作数据 。 现在 ， 史蒂文斯理工学院的量子研究人员已经演示了一种将更多信息编码到单个光子中的方法 ， 为更快、更强大的量子通信工具打开了大门 。
通常 ， 量子通信系统将信息“写入”到光子的自旋角动量上 。 在这种情况下 ， 光子进行左右圆形旋转 ， 或形成称为二维量子位的量子叠加 。
还可以将信息编码到光子的轨道角动量上——光在扭曲和向前扭矩时跟随的开瓶器路径 ， 每个光子围绕光束中心旋转 。 当自旋和角动量互锁时 ， 它形成一个高维qudit——使理论上无限范围的任何值都可以编码成一个光子并由单个光子传播 。
Qubits和qudit ， 也称为飞行qubits和flyed qudits ， 用于将存储在光子中的信息从一个点传播到另一个点 。 主要区别在于 ， qudit可以在相同的距离上携带比量子比特多得多的信息 ， 为下一代量子通信提供涡轮增压的基础 。
在2022年8月的《Optica》的封面故事中 ， 由史蒂文斯纳米光子学实验室负责人Stefan Strauf领导的研究人员表明 ， 他们可以按需创建和控制单个飞行qudit或“机智”光子——这一突破可以极大地扩展量子通信工具的能力 。
通常 ， 自旋角动量和轨道角动量是光子的独立性质 。 他们的设备是第一个通过两者之间的受控耦合同时控制这两种属性的设备 。
这很重要的是 ， 该研究已经证明我们可以用单光子而不是经典光束来做到这一点 ， 这是任何类型的量子通信应用的基本要求 。
将信息编码到轨道角动量中会从根本上增加可以传输的信息 。 利用“轻快”的光子可以提高量子通信工具的带宽 ， 使它们能够更快地传输数据 。
为了创造扭曲的光子 ， 施特劳夫的团队使用一种即将推出的新型半导体材料二烯化钨的原子厚薄膜来创造出一种能够发射单个光子的量子发射器 。
接下来 ， 他们将量子发射器耦合在一个称为环形谐振器的内部反射甜甜圈形状的空间中 。 通过微调发射器和齿轮形状谐振器的排列 ， 可以利用光子自旋与其轨道角动量之间的相互作用 ， 按需创建单个“弯曲”光子 。
启用这种旋转钟锁定功能的关键在于环形谐振器的齿轮形状图案 ， 当在设计中仔细设计时 ， 可以产生扭曲的涡流光束 ， 设备以光速发射出来 。
通过将这些功能集成到一个直径仅为20微米的微芯片中——约占人类头发宽度的四分之一——该团队创造了一个扭曲的光子发射器 ， 能够与其他标准化组件交互 ， 作为量子通信系统的一部分 。
一些关键挑战仍然存在 。 虽然团队的技术可以控制光子螺旋的方向——顺时针或逆时针方向 ， 但需要做更多的工作来控制精确的轨道角动量模式数 。 这是一种关键能力 ， 可以将理论上无限范围的不同值“写入”到单个光子中 ， 然后从单个光子中提取 。 施特劳夫纳米光子学实验室的最新实验显示 ， 这个问题很快就能克服 。
还需要进一步工作来创建一个可以创建具有严格一致量子属性的扭曲光子的设备 ， 即不可区分的光子——这是启用量子互联网的关键要求 。 这些挑战影响了从事量子光子学工作的每个人 ， 可能需要材料科学的新突破才能解决 。
前面有很多挑战 。 但研究团队已经展示了创造比以前任何可能的东西都更通用的量子光源的潜力 。
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