‘Bükülmüş’ fotonlar, yeni nesil kuantum iletişimini turboşarj edebilir

'Bükülmüş' fotonlar, yeni nesil kuantum iletişimini turboşarj edebilir

Dişli şekilli bir rezonatör ile entegre tek foton yayan bir kuantum yayıcı. Yayıcının ve dişli şeklindeki rezonatörün düzenini ince ayarlayarak, talep üzerine bireysel “bükümlü” fotonlar yaratmak için fotonun dönüşü ile yörünge açısal momentumu arasındaki etkileşimden yararlanmak mümkündür. Kredi: Stevens Teknoloji Enstitüsü

Kuantum bilgisayarları ve iletişim cihazları, bilgileri tek tek veya dolaşmış fotonlara kodlayarak çalışır ve verilerin kuantum güvenli bir şekilde iletilmesini ve geleneksel elektroniklerle mümkün olandan katlanarak daha hızlı bir şekilde manipüle edilmesini sağlar. Şimdi, Stevens Institute of Technology’deki kuantum araştırmacıları, çok daha fazla bilgiyi tek bir fotona kodlamak için bir yöntem göstererek, daha da hızlı ve daha güçlü kuantum iletişim araçlarına kapı açıyor.

Tipik olarak, kuantum iletişim sistemleri, bir fotonun dönüş açısal momentumuna bilgi “yazıyor”. Bu durumda, fotonlar ya sağa ya da sola dairesel bir dönüş gerçekleştirir ya da iki boyutlu kübit olarak bilinen ikisinin kuantum süperpozisyonunu oluşturur.

Bir fotonun yörünge açısal momentumu üzerine bilgi kodlamak da mümkündür – ışığın bükülürken izlediği ve her bir fotonun ışının merkezi etrafında döndüğü tirbuşon yolu. Dönme ve açısal momentum iç içe geçtiğinde, yüksek boyutlu bir qudit oluşturur; bu, teorik olarak sonsuz bir değer aralığının herhangi birinin tek bir foton tarafından kodlanmasını ve yayılmasını sağlar.

Uçan kübitler ve uçan küditler olarak da bilinen kübitler ve küditler, fotonlarda depolanan bilgileri bir noktadan diğerine yaymak için kullanılır. Temel fark, qudits’in aynı mesafede kübitlerden çok daha fazla bilgi taşıyabilmesi ve yeni nesil kuantum iletişiminin turboşarjı için temel oluşturmasıdır.

dergisinin Ağustos 2022 sayısında yer alan bir kapak hikayesinde optikStevens’daki NanoPhotonics Laboratuvarı başkanı Stefan Strauf liderliğindeki araştırmacılar, talep üzerine bireysel uçan kuditler veya “bükümlü” fotonlar oluşturup kontrol edebildiklerini gösteriyorlar – kuantum iletişim araçlarının yeteneklerini önemli ölçüde genişletebilecek bir atılım.

Strauf’un NanoPhotonics Laboratuarı’nda yüksek lisans öğrencisi olan Yichen Ma, “Normalde dönüş açısal momentumu ve yörünge açısal momentum bir fotonun bağımsız özellikleridir. Cihazımız, ikisi arasındaki kontrollü bağlantı yoluyla her iki özelliğin aynı anda kontrolünü gösteren ilk cihazdır,” dedi. Pennsylvania Üniversitesi’nden Liang Feng ve Columbia Üniversitesi’nden Jim Hone ile işbirliği içinde araştırmayı yöneten Dr.

Ma, “Bunu önemli yapan şey, bunu her türlü kuantum iletişim uygulaması için temel gereksinim olan klasik ışık ışınları yerine tek fotonlarla yapabileceğimizi göstermiş olmamızdır” dedi.

Ma, bilgiyi yörüngesel açısal momentuma kodlamanın iletilebilecek bilgiyi kökten artırdığını açıkladı. “Bükülmüş” fotonlardan yararlanmak, kuantum iletişim araçlarının bant genişliğini artırarak, verileri çok daha hızlı iletmelerini sağlayabilir.

Strauf’un ekibi, kıvrımlı fotonlar oluşturmak için, tek foton yayan bir kuantum yayıcı oluşturmak için yeni bir yarı iletken malzeme olan atom kalınlığında bir tungsten diselenid filmi kullandı.

Daha sonra, kuantum yayıcıyı, halka rezonatör adı verilen, içten yansıtıcı halka şeklindeki bir alana bağladılar. Yayıcının ve dişli şeklindeki rezonatörün düzenini ince ayarlayarak, talep üzerine bireysel “bükümlü” fotonlar oluşturmak için fotonun dönüşü ile yörünge açısal momentumu arasındaki etkileşimden yararlanmak mümkündür.

Bu dönme-momentum kilitleme işlevini etkinleştirmenin anahtarı, tasarımda dikkatli bir şekilde tasarlandığında, cihazın ışık hızında fırlattığı kıvrımlı girdap ışık huzmesini yaratan halka rezonatörünün dişli şeklindeki desenine dayanır.

Ekip, bu yetenekleri yalnızca 20 mikron çapında (bir insan saçı genişliğinin yaklaşık dörtte biri kadar) tek bir mikroçipe entegre ederek, bir kuantum iletişim sisteminin parçası olarak diğer standartlaştırılmış bileşenlerle etkileşime girebilen kıvrımlı bir foton yayıcı yarattı.

Bazı önemli zorluklar devam ediyor. Ekibin teknolojisi, bir fotonun sarmal yönünü (saat yönünde veya saat yönünün tersinde) kontrol edebilirken, tam yörünge açısal momentum modu numarasını kontrol etmek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır. Teorik olarak sonsuz sayıda farklı değerlerin “yazılmasını” ve daha sonra tek bir fotondan çıkarılmasını sağlayacak kritik yetenek budur. Ma’ya göre, Strauf’un Nanophotonics Laboratuvarı’ndaki son deneyler, bu sorunun yakında üstesinden gelinebileceği konusunda umut verici sonuçlar gösteriyor.

Kuantum interneti etkinleştirmek için önemli bir gereklilik olan, kesin olarak tutarlı kuantum özelliklerine sahip bükülmüş fotonlar, yani ayırt edilemez fotonlar oluşturabilen bir cihaz oluşturmak için daha fazla çalışmaya da ihtiyaç vardır. Ma, bu tür zorlukların kuantum fotonikte çalışan herkesi etkilediğini ve çözülmesi için malzeme biliminde yeni atılımlar gerektirebileceğini söyledi.

“Önümüzde pek çok zorluk var” diye ekledi. “Ama daha önce mümkün olan her şeyden daha çok yönlü olan kuantum ışık kaynakları yaratma potansiyelini gösterdik.”


Özelleştirilmiş tek fotonlar: Yeni teknolojilerin anahtarı olarak fotonların optik kontrolü


Daha fazla bilgi:
Yichen Ma ve diğerleri, kiral emisyon için 2D malzemelerde kuantum yayıcıların çip üzerinde spin-yörünge kilitlemesi, optik (2022). DOI: 10.1364/OPTİKA.463481

Stevens Teknoloji Enstitüsü tarafından sağlanmıştır

Alıntı: ‘Twisty’ fotonlar yeni nesil kuantum iletişimini turbo şarj edebilir (2022, 22 Eylül) 22 Eylül 2022’de https://phys.org/news/2022-09-twisty-photons-turbocharge-next-gen-quantum.html adresinden alındı

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin alınmadan hiçbir kısmı çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı verilmiştir.