Quantencomputer und Kommunikationsgeräte funktionieren durch die Kodierung von Informationen in einzelne oder
Was sind Qubits und Qudits?
Typischerweise „zeichnen“ QuantenkommunikationssystemeInformationen über den Drehimpuls der Photonenrotation. In diesem Fall führen sie entweder eine rechte oder linke Kreisdrehung aus oder bilden eine Quantenüberlagerung zweier Photonen – ein zweidimensionales Qubit.
Es ist auch möglich, Informationen zu verschlüsselnüber den Bahndrehimpuls des Photons – den „Korkenzieher“-Pfad, dem das Licht folgt, sich verdreht und vorwärts bewegt, während sich jedes Photon um die Mitte des Strahls dreht. Die Kombination von Spin und Drehimpuls führt zur Bildung eines mehrdimensionalen Qudits und der Fähigkeit, jeden beliebigen Wert aus einem theoretisch unendlichen Bereich von Werten mit einem einzigen Photon zu kodieren und auszubreiten.
Qubits und Qudits werden verwendet fürVerbreitung von in Photonen gespeicherten Informationen von einem Punkt zum anderen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Qudits über die gleiche Entfernung viel mehr Informationen übertragen können als Qubits und damit die Grundlage für die nächste Generation der Quantenkommunikation bilden.
Kudit-Bewegung auf Anfrage
Im Rahmen einer neuen Physikstudie unter der Leitung vonmit Stefan Strauf, Leiter des Nanophotonics Laboratory an der Stevens University, zeigte, wie man bei Bedarf einzelne fliegende Qudits oder „sich windende“ Photonen erzeugen und steuern kann. Dieser Durchbruch wird die Fähigkeiten von Quantenkommunikationstools erheblich erweitern.
Photonen. Foto: commons.wikimedia.org
Die Besonderheit des Experiments besteht darin, dass der Spinund Bahndrehimpuls sind unabhängige Eigenschaften eines Photons. Das neue Gerät ist das erste, das beide gleichzeitig steuern kann, indem es eine kontrollierte Kommunikation zwischen ihnen nutzt.
All dies kann mit einzelnen Photonen statt mit klassischen Lichtstrahlen erfolgen: eine Grundvoraussetzung für jede Quantenkommunikationsanwendung.
Was wird es geben?
Laut Physikern CodierungInformationen im Bahndrehimpuls vergrößern ihr Übertragungsvolumen radikal. Die Verwendung „verdrehter“ Photonen wird den Durchsatz von Quantenkommunikationswerkzeugen erhöhen und es ihnen ermöglichen, Daten viel schneller zu übertragen.
Wie wurden die „kurvigen“ Photonen erzeugt?
Um „verdrehte“ Photonen zu erzeugen, Wissenschaftlerverwendeten einen atomdicken Film aus Wolframdiselenid, einem neuen Halbleitermaterial, um einen Quantenemitter zu schaffen, der einzelne Photonen emittieren kann.
Anschließend schlossen sie einen Quantenemitter anmit einem inneren reflektierenden Raum in Form eines Donuts – einem Ringresonator. Die Feinabstimmung der Position des Emitters und des Zahnradresonators wurde genutzt, um den Spin des Photons und seinen Drehimpuls in der Umlaufbahn zur Interaktion zu zwingen, um bei Bedarf einzelne „stachelige“ Photonen zu erzeugen.
Der Schlüssel zum Aktivieren dieser Sperrfunktion istDer Spinimpuls ist das gezackte Muster des Ringresonators. Bei sorgfältiger Konstruktion erzeugt es einen gewundenen, wirbelnden Lichtstrahl, den das Gerät mit Lichtgeschwindigkeit aussendet.
Durch die Integration dieser Fähigkeiten in einen MikrochipMit einem Durchmesser von nur 20 Mikrometern – etwa einem Viertel der Breite eines menschlichen Haares – haben Physiker einen Emitter gewundener Photonen geschaffen. Seine Besonderheit besteht darin, dass es im Rahmen eines Quantenkommunikationssystems mit anderen standardisierten Komponenten interagieren kann.
Was weiter?
Der Autor der Entwicklung stellte fest, dass es mehrere gibtwichtige Probleme. Ja, neue Technologien können die Richtung steuern, in die sich ein Photon spiralförmig bewegt – im oder gegen den Uhrzeigersinn. Es sind jedoch weitere Verbesserungen erforderlich, um die genaue Anzahl der Drehimpulsmodi der Umlaufbahn zu steuern. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da es theoretisch möglich ist, einen unendlichen Bereich verschiedener Werte in ein Photon zu schreiben und dann daraus zu extrahieren.
Den Wissenschaftlern zufolge zeigen aktuelle Experimente im Nanophotonik-Labor von Strauf vielversprechende Ergebnisse. Dieses Problem kann also bald gelöst werden.
Darüber hinaus sind weitere Arbeiten erforderlichein Gerät zu schaffen, das verdrehte Photonen mit streng konsistenten Quanteneigenschaften, also nicht unterscheidbaren Photonen, erzeugt. Dies ist eine zentrale Voraussetzung für die Verwirklichung des Quanteninternets. Laut Wissenschaftlern betreffen solche Probleme jeden, der auf dem Gebiet der Quantenphotonik arbeitet. Um sie zu lösen, sind neue Durchbrüche in der Materialwissenschaft erforderlich.
Weiter lesen:
Eine unbekannte Art von geflügelten Insekten, die seit mehr als 35 Millionen Jahren im Bernstein "versteckt" ist
Gasleck von Nord Stream wurde aus dem Weltraum gezeigt
Sehen Sie, wie sich Jupiter und der Mond am Nachthimmel näherten