量子計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備的工作原理是通過(guò)將信息編碼為單個(gè)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(gè)光子的方法，為更快、更強(qiáng)大的量子通信工具打開(kāi)了大門。

通常，量子通信系統(tǒng)將信息“寫入”光子的自旋角動(dòng)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(gè)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(dòng)量上，即光在向前扭曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)所遵循的螺旋路徑，每個(gè)光子圍繞光束中心旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)自旋和角動(dòng)量互鎖時(shí)，它會(huì)形成一個(gè)高維量子數(shù)，使得理論上無(wú)限范圍的值中的任何一個(gè)都能被編碼到單個(gè)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(shí)驗(yàn)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?jiǎng)?chuàng)建和控制單個(gè)飛行量子或“扭曲”光子，這一突破可能會(huì)極大地?cái)U(kuò)展量子通信工具的功能。 能夠發(fā)射單個(gè)光子的基于集成齒輪形諧振器的量子發(fā)射器。

通過(guò)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(dòng)量之間的相互作用，根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建單個(gè)“扭曲”光子。

Strauf納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究生馬一辰解釋道：“通常，自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量是光子的獨(dú)立性質(zhì)。我們的設(shè)備是第一個(gè)通過(guò)兩者之間的受控耦合同時(shí)控制這兩種性質(zhì)的設(shè)備?！?/p>

馬說(shuō)：“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(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這是任何量子通信應(yīng)用的基本要求?！睂⑿畔⒕幋a到軌道角動(dòng)量中，從根本上增加了可以傳輸?shù)男畔?。利用“扭曲”光子可以提高量子通信工具的帶寬，使其能夠更快地傳輸?shù)據(jù)。

為了產(chǎn)生扭曲的光子，團(tuán)隊(duì)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(lái)創(chuàng)建能夠發(fā)射單個(gè)光子的量子發(fā)射器。 接下來(lái)，他們將量子發(fā)射器耦合到一個(gè)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(guò)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(dòng)量之間的相互作用，根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建單個(gè)“扭曲”光子。 實(shí)現(xiàn)這種自旋動(dòng)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(jì)中經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)后，會(huì)產(chǎn)生扭曲的渦旋光束，設(shè)備以光速射出。

通過(guò)將這些功能集成到一個(gè)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(duì)創(chuàng)造了一個(gè)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(duì)的技術(shù)可以控制光子順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向，但要控制準(zhǔn)確的軌道角動(dòng)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(wú)限范圍的不同值被“寫入”到單個(gè)光子中，然后從中提取。

還需要進(jìn)一步的工作來(lái)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(wú)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(shuō)，這些挑戰(zhàn)影響到量子光子學(xué)領(lǐng)域的每個(gè)人，可能需要材料科學(xué)的新突破來(lái)解決。 他補(bǔ)充道：“前面還有很多挑戰(zhàn)?！??！暗覀円呀?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?！?br />





審核編輯：劉清