我是斜杠青年，一個被前沿技術(shù)耽誤掙錢的“雜食性”學(xué)者！

量子計算機(jī)和通信設(shè)備的工作原理是將信息編碼為單個或糾纏的光子，使數(shù)據(jù)能夠比傳統(tǒng)電子設(shè)備更快地安全地傳輸和操作數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，史蒂文斯理工學(xué)院的量子研究人員已經(jīng)演示了一種將更多信息編碼到單個光子中的方法，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”到光子的自旋角動量上。在這種情況下，光子進(jìn)行左右圓形旋轉(zhuǎn)，或形成稱為二維量子位的量子疊加。

還可以將信息編碼到光子的軌道角動量上——光在扭曲和向前扭矩時跟隨的開瓶器路徑，每個光子圍繞光束中心旋轉(zhuǎn)。當(dāng)自旋和角動量互鎖時，它形成一個高維qudit——使理論上無限范圍的任何值都可以編碼成一個光子并由單個光子傳播。

Qubits和qudit，也稱為飛行qubits和flyed qudits，用于將存儲在光子中的信息從一個點傳播到另一個點。主要區(qū)別在于，qudit可以在相同的距離上攜帶比量子比特多得多的信息，為下一代量子通信提供渦輪增壓的基礎(chǔ)。

在2022年8月的《Optica》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Stefan Strauf領(lǐng)導(dǎo)的研究人員表明，他們可以按需創(chuàng)建和控制單個飛行qudit或“機(jī)智”光子——這一突破可以極大地擴(kuò)展量子通信工具的能力。

通常，自旋角動量和軌道角動量是光子的獨立性質(zhì)。他們的設(shè)備是第一個通過兩者之間的受控耦合同時控制這兩種屬性的設(shè)備。

這很重要的是，該研究已經(jīng)證明我們可以用單光子而不是經(jīng)典光束來做到這一點，這是任何類型的量子通信應(yīng)用的基本要求。

將信息編碼到軌道角動量中會從根本上增加可以傳輸?shù)男畔?。利用“輕快”的光子可以提高量子通信工具的帶寬，使它們能夠更快地傳輸數(shù)據(jù)。

為了創(chuàng)造扭曲的光子，施特勞夫的團(tuán)隊使用一種即將推出的新型半導(dǎo)體材料二烯化鎢的原子厚薄膜來創(chuàng)造出一種能夠發(fā)射單個光子的量子發(fā)射器。

接下來，他們將量子發(fā)射器耦合在一個稱為環(huán)形諧振器的內(nèi)部反射甜甜圈形狀的空間中。通過微調(diào)發(fā)射器和齒輪形狀諧振器的排列，可以利用光子自旋與其軌道角動量之間的相互作用，按需創(chuàng)建單個“彎曲”光子。

啟用這種旋轉(zhuǎn)鐘鎖定功能的關(guān)鍵在于環(huán)形諧振器的齒輪形狀圖案，當(dāng)在設(shè)計中仔細(xì)設(shè)計時，可以產(chǎn)生扭曲的渦流光束，設(shè)備以光速發(fā)射出來。

通過將這些功能集成到一個直徑僅為20微米的微芯片中——約占人類頭發(fā)寬度的四分之一——該團(tuán)隊創(chuàng)造了一個扭曲的光子發(fā)射器，能夠與其他標(biāo)準(zhǔn)化組件交互，作為量子通信系統(tǒng)的一部分。

一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)仍然存在。雖然團(tuán)隊的技術(shù)可以控制光子螺旋的方向——順時針或逆時針方向，但需要做更多的工作來控制精確的軌道角動量模式數(shù)。這是一種關(guān)鍵能力，可以將理論上無限范圍的不同值“寫入”到單個光子中，然后從單個光子中提取。施特勞夫納米光子學(xué)實驗室的最新實驗顯示，這個問題很快就能克服。

還需要進(jìn)一步工作來創(chuàng)建一個可以創(chuàng)建具有嚴(yán)格一致量子屬性的扭曲光子的設(shè)備，即不可區(qū)分的光子——這是啟用量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵要求。這些挑戰(zhàn)影響了從事量子光子學(xué)工作的每個人，可能需要材料科學(xué)的新突破才能解決。

前面有很多挑戰(zhàn)。但研究團(tuán)隊已經(jīng)展示了創(chuàng)造比以前任何可能的東西都更通用的量子光源的潛力。

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