Kvantdatorer och kommunikationsenheter fungerar genom att koda information till individuella eller
Vad är qubits och qudits?
Vanligtvis "spelar" kvantkommunikationssysteminformation om rörelsemängden för fotonrotation. I det här fallet utför de antingen en höger- eller vänstercirkulär rotation, eller bildar en kvantöverlagring av två fotoner - en tvådimensionell qubit.
Det är också möjligt att koda informationom fotonens omloppsrörelsemängd – "korkskruvens" väg som ljuset följer, vrider sig och rör sig framåt när varje foton roterar runt strålens mitt. Kombinationen av spinn och rörelsemängd resulterar i bildandet av en flerdimensionell qudit och förmågan att koda och sprida vilket som helst av ett teoretiskt oändligt värdeintervall med en enda foton.
Qubits och qudits används förspridning av information lagrad i fotoner från en punkt till en annan. Den största skillnaden är att qudits kan sända mycket mer information över samma avstånd än qubits, vilket utgör grunden för nästa generation av kvantkommunikation.
Kudit-rörelse på begäran
Som en del av en ny fysikstudie ledd avmed Stefan Strauf, chef för Nanophotonics Laboratory vid Stevens University, visade hur man skapar och kontrollerar individuella flygande qudits, eller "squirmy" fotoner, på begäran. Detta genombrott kommer att avsevärt utöka kapaciteten hos kvantkommunikationsverktyg.
Fotoner. Foto: commons.wikimedia.org
Det speciella med experimentet är att snurranoch orbital rörelsemängd är oberoende egenskaper hos en foton. Den nya enheten är den första som kan styra båda samtidigt, genom att använda kontrollerad kommunikation mellan dem.
Allt detta kan göras med enstaka fotoner snarare än klassiska ljusstrålar: ett grundläggande krav för alla kvantkommunikationstillämpningar.
Vad kommer det att ge?
Enligt fysiker, kodninginformation i omloppsrörelsemängd ökar radikalt dess volym för överföring. Användningen av slingrande fotoner kommer att öka genomströmningen av kvantkommunikationsverktyg, vilket gör att de kan överföra data mycket snabbare.
Hur skapades de "kurviga" fotonerna?
För att skapa "vridande" fotoner, forskareanvände en atomtjock film av volframdiselenid, ett nytt halvledarmaterial, för att skapa en kvantemitter som kan sända ut enstaka fotoner.
De kopplade sedan in en kvantemittermed ett inre reflekterande utrymme i form av en munk - en ringresonator. Finjustering av platsen för emittern och kugghjulsresonatorn användes för att tvinga fotonens spinn och dess orbitala vinkelmoment att interagera för att skapa individuella "taggiga" fotoner på begäran.
Nyckeln för att aktivera denna låsfunktion ärSpinnpulsen är ringresonatorns taggiga mönster. När den är noggrant utformad skapar den en slingrande, virvlande ljusstråle som enheten avger med ljusets hastighet.
Genom att integrera dessa funktioner i ett mikrochipmed en diameter på bara 20 mikron – ungefär en fjärdedel av ett människohårs bredd – har fysiker skapat en utsändare av slingrande fotoner. Dess speciella egenskap är att den kan interagera med andra standardiserade komponenter som en del av ett kvantkommunikationssystem.
Vad är nästa?
Författaren till utvecklingen noterade att det finns fleraviktiga problem. Ja, ny teknik kan styra i vilken riktning en foton rör sig i en spiral — medurs eller moturs. Ytterligare förbättringar krävs dock för att kontrollera det exakta antalet orbitala vinkelmomentmoder. Detta är kritiskt viktigt, eftersom det teoretiskt sett är möjligt att skriva ett oändligt intervall av olika värden till en foton och sedan extrahera från den.
Enligt forskarna visar nya experiment vid Straufs nanofotoniklaboratorium lovande resultat. Så det här problemet kan lösas snart.
Ytterligare arbete behövs ocksåatt skapa en enhet som kommer att skapa vridna fotoner med strikt konsekventa kvantegenskaper, det vill säga omöjliga fotoner. Detta är ett nyckelkrav för att förverkliga kvantinternet. Enligt forskare påverkar sådana problem alla som arbetar inom området kvantfotonik. Att lösa dem kommer att kräva nya genombrott inom materialvetenskap.
Läs mer:
En okänd art av bevingad insekt "gömd" i bärnsten i mer än 35 miljoner år
Gasläcka från Nord Stream visades från rymden
Se hur Jupiter och månen närmade sig på natthimlen