量子計算機(jī)和通信設(shè)備的工作原理是通過將信息編碼為單個光子或糾纏光子，從而使數(shù)據(jù)能夠以量子安全的方式傳輸和處理，其速度比傳統(tǒng)電子設(shè)備快得多。

現(xiàn)在，史蒂文斯理工學(xué)院的量子相關(guān)研究人員展示了一種將更多信息編碼成單個光子的方法，為更快、更強(qiáng)大的量子通信工具打開了大門。

通常，量子通信系統(tǒng)將信息“寫入”光子的自旋角動量。在這種情況下，光子進(jìn)行右或左循環(huán)旋轉(zhuǎn)，或者形成兩個量子疊加，稱為二維量子比特。

也可以將信息編碼到光子的軌道角動量上，即光在向前扭曲和扭轉(zhuǎn)時所遵循的螺旋路徑，每個光子圍繞光束中心旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)自旋和角動量互鎖時，它會形成一個高維量子數(shù)，使得理論上無限范圍的值中的任何一個都能被編碼到單個光子中并由其傳播。

在2022年8月《Optica》雜志的封面故事中，由史蒂文斯納米光子學(xué)實驗室負(fù)責(zé)人斯特凡·斯特勞夫（Stefan Strauf）領(lǐng)導(dǎo)的研究人員表示，他們可以根據(jù)需要創(chuàng)建和控制單個飛行量子或“扭曲”光子，這一突破可能會極大地擴(kuò)展量子通信工具的功能。 能夠發(fā)射單個光子的基于集成齒輪形諧振器的量子發(fā)射器。

通過微調(diào)發(fā)射器和齒輪形諧振器的排列，可以利用光子自旋與其軌道角動量之間的相互作用，根據(jù)需要創(chuàng)建單個“扭曲”光子。

Strauf納米光子學(xué)實驗室的研究生馬一辰解釋道：“通常，自旋角動量和軌道角動量是光子的獨(dú)立性質(zhì)。我們的設(shè)備是第一個通過兩者之間的受控耦合同時控制這兩種性質(zhì)的設(shè)備。”

馬說：“重要的是，我們已經(jīng)證明，我們可以用單光子而不是經(jīng)典光束來實現(xiàn)這一點(diǎn)，這是任何量子通信應(yīng)用的基本要求。”將信息編碼到軌道角動量中，從根本上增加了可以傳輸?shù)男畔ⅰ＠谩芭で惫庾涌梢蕴岣吡孔油ㄐ殴ぞ叩膸挘蛊淠軌蚋斓貍鬏敂?shù)據(jù)。

為了產(chǎn)生扭曲的光子，團(tuán)隊使用了一種原子厚度的鎢二硒化物薄膜，這是一種即將推出的新型半導(dǎo)體材料，來創(chuàng)建能夠發(fā)射單個光子的量子發(fā)射器。 接下來，他們將量子發(fā)射器耦合到一個內(nèi)部反射的環(huán)形空間中，該空間稱為環(huán)形諧振器。

通過微調(diào)發(fā)射器和齒輪形諧振器的排列，可以利用光子自旋與其軌道角動量之間的相互作用，根據(jù)需要創(chuàng)建單個“扭曲”光子。 實現(xiàn)這種自旋動量鎖定功能的關(guān)鍵在于環(huán)形諧振器的齒輪形圖案，在設(shè)計中經(jīng)過精心設(shè)計后，會產(chǎn)生扭曲的渦旋光束，設(shè)備以光速射出。

通過將這些功能集成到一個只有20微米、大約四分之一人類頭發(fā)寬度的單片微芯片中，該團(tuán)隊創(chuàng)造了一個扭曲的光子發(fā)射器，作為量子通信系統(tǒng)的一部分，它能夠與其他標(biāo)準(zhǔn)化組件交互。

一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)仍然存在。雖然該團(tuán)隊的技術(shù)可以控制光子順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的方向，但要控制準(zhǔn)確的軌道角動量模數(shù)還需要更多的工作。這是一種關(guān)鍵能力，它將使理論上無限范圍的不同值被“寫入”到單個光子中，然后從中提取。

還需要進(jìn)一步的工作來創(chuàng)建一種設(shè)備，該設(shè)備可以創(chuàng)建具有嚴(yán)格一致量子特性的扭曲光子，即無法區(qū)分的光子，這是啟用量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵要求。

馬說，這些挑戰(zhàn)影響到量子光子學(xué)領(lǐng)域的每個人，可能需要材料科學(xué)的新突破來解決。 他補(bǔ)充道：“前面還有很多挑戰(zhàn)。”。“但我們已經(jīng)展示了創(chuàng)造量子光源的潛力，這種光源比以前任何可能的光源都更加通用。”






審核編輯：劉清