'Twisty' 광자는 차세대 양자 통신에 터보차저를 제공할 수 있습니다. 팀의 온칩 기술은 궤도 각운동량을 사용하여 더 많은 정보를

[아름이]

'Twisty' 광자는 차세대 양자 통신에 터보차저를 제공할 수 있습니다.
팀의 온칩 기술은 궤도 각운동량을 사용하여 더 많은 정보를 단일 광자로 인코딩합니다.
날짜:
2022년 9월 22일
원천:
스티븐스 공과대학
요약:
양자 연구자들은 훨씬 더 많은 정보를 단일 광자로 인코딩하는 방법을 시연하여 훨씬 더 빠르고 강력한 양자 통신 도구의 문을 열었습니다.

양자 컴퓨터 및 통신 장치는 정보를 개별 또는 얽힌 광자로 인코딩하여 작동하므로 데이터를 양자 안전하게 전송하고 기존 전자 장치에서 가능한 것보다 기하급수적으로 빠르게 조작할 수 있습니다. 이제 Stevens Institute of Technology의 양자 연구원들은 훨씬 더 많은 정보를 단일 광자로 인코딩하는 방법을 시연하여 훨씬 빠르고 강력한 양자 통신 도구의 문을 열었습니다.

일반적으로 양자 통신 시스템은 광자의 스핀 각운동량에 정보를 "기록"합니다. 이 경우 광자는 오른쪽 또는 왼쪽 원형 회전을 수행하거나 2차원 큐비트로 알려진 양자 중첩을 형성합니다. 광자의 궤도 각운동량에 대한 정보를 인코딩하는 것도 가능합니다. 각 광자는 빔의 중심 주위를 도는 빛이 앞으로 비틀고 비틀릴 때 따라가는 코르크 나사 경로입니다. 스핀과 각운동량이 서로 맞물리면 고차원 큐딧을 형성하여 이론적으로 무한한 범위의 값을 단일 광자로 인코딩하고 전파할 수 있습니다.

플라잉 큐비트 및 플라잉 큐딧이라고도 하는 큐비트 및 큐딧은 광자에 저장된 정보를 한 지점에서 다른 지점으로 전파하는 데 사용됩니다. 주요 차이점은 큐딧이 큐비트보다 동일한 거리에서 훨씬 더 많은 정보를 전달할 수 있어 차세대 양자 통신에 터보차저를 제공할 수 있다는 것입니다.

Optica 2022년 8월호의 커버 스토리 에서 Stevens의 NanoPhotonics Lab 소장인 Stefan Strauf가 이끄는 연구원들은 요청에 따라 개별 비행 큐디트 또는 "뒤틀린" 광자를 생성하고 제어할 수 있음을 보여줍니다. 양자 통신 도구의 기능을 극적으로 확장할 수 있습니다. 이 작업은 Nature Nanotechnology 에 게재된 팀의 2018년 논문을 기반으로 합니다 .

Strauf의 NanoPhotonics Lab 대학원생인 Yichen Ma는 "일반적으로 스핀 각운동량과 궤도 각운동량은 광자의 독립적인 특성입니다. 우리의 장치는 둘 사이의 제어된 결합을 통해 두 특성의 동시 제어를 최초로 입증한 것"이라고 설명했습니다. , 펜실베니아 대학의 Liang Feng 및 Columbia 대학의 Jim Hone과 공동으로 연구를 주도했습니다.

Ma는 "이를 큰 문제로 만드는 것은 모든 종류의 양자 통신 응용 프로그램의 기본 요구 사항인 고전적인 광선이 아닌 단일 광자로 이 작업을 수행할 수 있음을 보여주었다"고 말했습니다.

정보를 궤도 각운동량으로 인코딩하면 전송할 수 있는 정보가 급격히 증가한다고 Ma는 설명했습니다. "꼬인" 광자를 활용하면 양자 통신 도구의 대역폭을 향상시켜 훨씬 더 빠르게 데이터를 전송할 수 있습니다.

구불구불한 광자를 만들기 위해 Strauf의 팀은 단일 광자를 방출할 수 있는 양자 에미터를 만들기 위해 곧 출시될 새로운 반도체 재료인 텅스텐 이셀레나이드의 원자 두께 필름을 사용했습니다.

다음으로 그들은 링 공진기(ring resonator)라고 불리는 내부 반사 도넛 모양의 공간에 양자 이미 터를 결합했습니다. 방사체와 기어 모양의 공진기의 배열을 미세 조정함으로써 광자의 스핀과 궤도 각운동량 사이의 상호 작용을 활용하여 필요에 따라 개별 "비틀어진" 광자를 생성할 수 있습니다. 이 스핀 모멘텀 잠금 기능을 가능하게 하는 열쇠는 링 공진기의 기어 모양 패터닝에 달려 있습니다. 링 공진기는 설계에서 신중하게 설계될 때 장치가 빛의 속도로 방출하는 구불구불한 와류 광선을 생성합니다.

이러한 기능을 사람 머리카락 너비의 약 1/4인 20미크론 크기의 단일 마이크로칩에 통합함으로써 팀은 양자 통신 시스템의 일부로 다른 표준화된 구성 요소와 상호 작용할 수 있는 꼬인 광자 방출기를 만들었습니다. .

몇 가지 주요 과제가 남아 있습니다. 팀의 기술은 광자가 나선 방향(시계 방향 또는 반시계 방향)을 제어할 수 있지만 정확한 궤도 각운동량 모드 수를 제어하려면 더 많은 작업이 필요합니다. 이것은 이론적으로 무한한 범위의 다양한 값을 단일 광자에 "기록"하고 나중에 추출할 수 있게 하는 중요한 기능입니다. Ma에 따르면 Strauf의 Nanophotonics Lab의 최신 실험은 이 문제가 곧 극복될 수 있다는 유망한 결과를 보여줍니다.

양자 인터넷을 가능하게 하기 위한 핵심 요구사항인 엄밀하게 일관된 양자 특성, 즉 구별할 수 없는 광자를 가진 꼬인 광자를 생성할 수 있는 장치를 만들기 위한 추가 작업도 필요합니다. 이러한 문제는 양자 광자 분야에서 일하는 모든 사람에게 영향을 미치며 이를 해결하려면 재료 과학의 새로운 돌파구가 필요할 수 있다고 Ma는 말했습니다.

그는 “앞으로 많은 도전이 놓여 있다”고 덧붙였다. "그러나 우리는 이전에 가능했던 것보다 더 다재다능한 양자 광원을 만들 수 있는 가능성을 보여주었습니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/