Un emettitore quantistico in grado di emettere singoli fotoni integrato con un risuonatore a forma di ingranaggio. Mettendo a punto la disposizione dell'emettitore e del risuonatore a forma di ingranaggio, è possibile sfruttare l'interazione tra lo spin del fotone e il suo momento angolare orbitale per creare singoli fotoni "tortuosi" su richiesta. Credito:Stevens Institute of Technology
I computer quantistici e i dispositivi di comunicazione funzionano codificando le informazioni in fotoni individuali o entangled, consentendo ai dati di essere trasmessi e manipolati quantisticamente in modo sicuro, in modo esponenziale più veloce di quanto sia possibile con l'elettronica convenzionale. Ora, i ricercatori quantistici dello Stevens Institute of Technology hanno dimostrato un metodo per codificare molte più informazioni in un singolo fotone, aprendo la porta a strumenti di comunicazione quantistica ancora più veloci e potenti.
Tipicamente, i sistemi di comunicazione quantistica "scrivono" informazioni sul momento angolare di spin di un fotone. In questo caso, i fotoni effettuano una rotazione circolare destra o sinistra o formano una sovrapposizione quantistica dei due nota come qubit bidimensionale.
È anche possibile codificare le informazioni sul momento angolare orbitale di un fotone, il percorso a cavatappi che la luce segue mentre si attorciglia e si torce in avanti, con ciascun fotone che ruota attorno al centro del raggio. Quando lo spin e il momento angolare si incastrano, forma un qudit ad alta dimensione, che consente di codificare e propagare da un singolo fotone qualsiasi intervallo di valori teoricamente infinito.
Qubit e qudit, noti anche come qubit volanti e qudit volanti, vengono utilizzati per propagare le informazioni memorizzate nei fotoni da un punto all'altro. La differenza principale è che i qudit possono trasportare molte più informazioni sulla stessa distanza rispetto ai qubit, fornendo le basi per il turbocompressore della comunicazione quantistica di prossima generazione.
In una storia di copertina nel numero di agosto 2022 di Optica , i ricercatori guidati da Stefan Strauf, capo del NanoPhotonics Lab di Stevens, dimostrano che possono creare e controllare singoli qudit volanti, o fotoni "tortuosi", su richiesta, una svolta che potrebbe espandere notevolmente le capacità degli strumenti di comunicazione quantistica.
"Normalmente il momento angolare di spin e il momento angolare orbitale sono proprietà indipendenti di un fotone. Il nostro dispositivo è il primo a dimostrare il controllo simultaneo di entrambe le proprietà tramite l'accoppiamento controllato tra le due", ha spiegato Yichen Ma, uno studente laureato nel NanoPhotonics Lab di Strauf , che ha condotto la ricerca in collaborazione con Liang Feng presso l'Università della Pennsylvania e Jim Hone presso la Columbia University.
"Ciò che lo rende importante è che abbiamo dimostrato che possiamo farlo con singoli fotoni piuttosto che con i classici fasci di luce, che è il requisito di base per qualsiasi tipo di applicazione di comunicazione quantistica", ha affermato Ma.
La codifica delle informazioni nel momento angolare orbitale aumenta radicalmente le informazioni che possono essere trasmesse, ha spiegato Ma. Sfruttare i fotoni "tortuosi" potrebbe aumentare la larghezza di banda degli strumenti di comunicazione quantistica, consentendo loro di trasmettere dati molto più rapidamente.
Per creare fotoni contorti, il team di Strauf ha utilizzato una pellicola spessa un atomo di diseleniuro di tungsteno, un nuovo materiale semiconduttore di prossima uscita, per creare un emettitore quantistico in grado di emettere singoli fotoni.
Successivamente, hanno accoppiato l'emettitore quantistico in uno spazio riflettente internamente a forma di ciambella chiamato risonatore ad anello. Mettendo a punto la disposizione dell'emettitore e del risuonatore a forma di ingranaggio, è possibile sfruttare l'interazione tra lo spin del fotone e il suo momento angolare orbitale per creare singoli fotoni "tortuosi" su richiesta.
La chiave per abilitare questa funzionalità di blocco dello spin-momentum risiede nella configurazione a forma di ingranaggio del risuonatore ad anello, che, se accuratamente progettato nel design, crea il raggio di luce a vortice tortuoso che il dispositivo spara alla velocità della luce.
Integrando queste capacità in un singolo microchip di appena 20 micron di diametro, circa un quarto della larghezza di un capello umano, il team ha creato un emettitore di fotoni tortuosi in grado di interagire con altri componenti standardizzati come parte di un sistema di comunicazione quantistica.
Rimangono alcune sfide chiave. Sebbene la tecnologia del team possa controllare la direzione in cui un fotone si muove a spirale, in senso orario o antiorario, è necessario più lavoro per controllare l'esatto numero di modalità del momento angolare orbitale. Questa è la capacità critica che consentirà di "scrivere" e successivamente estrarre da un singolo fotone una gamma teoricamente infinita di valori diversi. Gli ultimi esperimenti nel laboratorio di nanofotonica di Strauf mostrano risultati promettenti che questo problema può essere presto superato, secondo Ma.
Sono inoltre necessari ulteriori lavori per creare un dispositivo in grado di creare fotoni contorti con proprietà quantistiche rigorosamente coerenti, ovvero fotoni indistinguibili, un requisito chiave per abilitare l'Internet quantistica. Tali sfide riguardano tutti coloro che lavorano nella fotonica quantistica e potrebbero richiedere nuove scoperte nella scienza dei materiali per essere risolte, ha affermato Ma.
"Ci aspettano molte sfide", ha aggiunto. "Ma abbiamo mostrato il potenziale per creare sorgenti di luce quantistica che sono più versatili di qualsiasi cosa fosse possibile in precedenza". + Esplora ulteriormente
