คอมพิวเตอร์ควอนตัมและอุปกรณ์สื่อสารทำงานโดยการเข้ารหัสข้อมูลเป็นรายบุคคลหรือ
qubits และ qudits คืออะไร?
โดยปกติแล้ว ระบบการสื่อสารควอนตัมจะ "บันทึก"ข้อมูลเกี่ยวกับโมเมนตัมเชิงมุมของการหมุนของโฟตอน ในกรณีนี้ พวกมันจะหมุนเป็นวงกลมไปทางขวาหรือซ้าย หรือสร้างการซ้อนทับควอนตัมของโฟตอนสองตัว - คบิตสองมิติ
นอกจากนี้ยังสามารถเข้ารหัสข้อมูลได้อีกด้วยเกี่ยวกับโมเมนตัมเชิงมุมในวงโคจรของโฟตอน ซึ่งเป็นเส้นทาง "เกลียว" ที่แสงติดตาม บิดตัวและเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ขณะที่โฟตอนแต่ละอันหมุนรอบจุดศูนย์กลางของลำแสง การรวมกันของการหมุนและโมเมนตัมเชิงมุมส่งผลให้เกิดการก่อตัวของ qudit หลายมิติและความสามารถในการเข้ารหัสและเผยแพร่ช่วงค่าใด ๆ ที่ไม่มีที่สิ้นสุดในทางทฤษฎีด้วยโฟตอนเดียว
Qubits และ qudits ใช้สำหรับการเผยแพร่ข้อมูลที่เก็บไว้ในโฟตอนจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ข้อแตกต่างที่สำคัญคือ qudits สามารถส่งข้อมูลได้ในระยะทางเท่ากันมากกว่า qubit ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการสื่อสารควอนตัมรุ่นต่อไป
การเคลื่อนไหว Kudit ตามคำขอ
ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาวิชาฟิสิกส์แนวใหม่ซึ่งนำโดยร่วมกับสเตฟาน สตราฟ หัวหน้าห้องปฏิบัติการนาโนโฟโตนิกส์ที่มหาวิทยาลัยสตีเวนส์ ได้สาธิตวิธีการสร้างและควบคุมโฟตอนที่บินเดี่ยวๆ หรือโฟตอนที่ "ดิ้น" ตามความต้องการ ความก้าวหน้าครั้งนี้จะขยายขีดความสามารถของเครื่องมือสื่อสารควอนตัมอย่างมาก
โฟตอน รูปถ่าย: commons.wikimedia.org
ความพิเศษของการทดลองก็คือการหมุนและโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรเป็นคุณสมบัติอิสระของโฟตอน อุปกรณ์ใหม่นี้เป็นอุปกรณ์แรกที่สามารถควบคุมทั้งสองอย่างพร้อมกัน โดยใช้การสื่อสารที่มีการควบคุมระหว่างอุปกรณ์เหล่านั้น
ทั้งหมดนี้สามารถทำได้โดยใช้โฟตอนเดี่ยวแทนที่จะเป็นลำแสงแบบคลาสสิก ซึ่งเป็นข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับการประยุกต์ใช้การสื่อสารควอนตัม
จะให้อะไร?
ตามที่นักฟิสิกส์กล่าวไว้ การเขียนโค้ดข้อมูลในโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรจะเพิ่มปริมาณการส่งข้อมูลอย่างรุนแรง การใช้โฟตอนที่คดเคี้ยวจะช่วยเพิ่มปริมาณงานของเครื่องมือสื่อสารควอนตัม ทำให้สามารถส่งข้อมูลได้เร็วขึ้นมาก
โฟตอน "โค้ง" ถูกสร้างขึ้นอย่างไร?
เพื่อสร้างโฟตอนที่ "บิด" นักวิทยาศาสตร์ใช้ฟิล์มหนาอะตอมของทังสเตน ไดเซเลไนด์ ซึ่งเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิดใหม่ เพื่อสร้างตัวปล่อยควอนตัมที่สามารถปล่อยโฟตอนเดี่ยวได้
จากนั้นพวกเขาก็เชื่อมต่อตัวปล่อยควอนตัมมีพื้นที่สะท้อนแสงภายในเป็นรูปโดนัท - ตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวน การปรับตำแหน่งของตัวปล่อยและตัวสะท้อนเกียร์อย่างละเอียดนั้นใช้เพื่อบังคับการหมุนของโฟตอนและโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรเพื่อโต้ตอบเพื่อสร้างโฟตอน "บิด" แต่ละตัวตามความต้องการ
กุญแจสำคัญในการเปิดใช้งานคุณสมบัติการล็อคนี้คือสปินพัลส์เป็นรูปแบบหยักของตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวน เมื่อออกแบบอย่างระมัดระวัง มันจะสร้างลำแสงหมุนวนที่คดเคี้ยวซึ่งอุปกรณ์จะปล่อยออกมาด้วยความเร็วแสง
ด้วยการรวมความสามารถเหล่านี้ไว้ในไมโครชิปตัวเดียวนักฟิสิกส์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 20 ไมครอน หรือประมาณหนึ่งในสี่ของความกว้างของเส้นผมมนุษย์ได้สร้างโฟตอนที่คดเคี้ยวขึ้นมา คุณสมบัติพิเศษคือสามารถโต้ตอบกับส่วนประกอบมาตรฐานอื่นๆ โดยเป็นส่วนหนึ่งของระบบการสื่อสารควอนตัม
ถัดไปคืออะไร
ผู้เขียนพัฒนาตั้งข้อสังเกตว่ามีหลายอย่างปัญหาสำคัญ ใช่ เทคโนโลยีใหม่สามารถควบคุมทิศทางที่โฟตอนเคลื่อนที่เป็นเกลียว—ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อควบคุมจำนวนโหมดโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรที่แน่นอน สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งยวดเพราะตามทฤษฎีแล้วมันเป็นไปได้ที่จะเขียนค่าต่าง ๆ ที่ไม่สิ้นสุดลงในโฟตอนเดียวแล้วแยกออกมา
ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวไว้ การทดลองล่าสุดที่ห้องปฏิบัติการนาโนโฟโตนิกส์ของสเตราฟแสดงผลลัพธ์ที่น่าหวัง ดังนั้นปัญหานี้จะสามารถแก้ไขได้ในไม่ช้า
จำเป็นต้องมีการทำงานเพิ่มเติมเพื่อสร้างอุปกรณ์ที่จะสร้างโฟตอนที่บิดเบี้ยวโดยมีคุณสมบัติควอนตัมที่สอดคล้องกันอย่างเคร่งครัด นั่นคือโฟตอนที่แยกไม่ออก นี่เป็นข้อกำหนดสำคัญในการทำให้อินเทอร์เน็ตควอนตัมเป็นจริง ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าปัญหาดังกล่าวส่งผลกระทบต่อทุกคนที่ทำงานในสาขาควอนตัมโฟโตนิกส์ การแก้ปัญหาเหล่านี้จะต้องมีความก้าวหน้าครั้งใหม่ในด้านวัสดุศาสตร์
อ่านเพิ่มเติม:
แมลงปีกแข็งที่ไม่รู้จัก "ซ่อน" ในอำพันมานานกว่า 35 ล้านปี
การรั่วไหลของก๊าซจาก Nord Stream แสดงให้เห็นจากอวกาศ
ดูว่าดาวพฤหัสบดีและดวงจันทร์เข้าใกล้ท้องฟ้ายามค่ำคืนอย่างไร