Las computadoras cuánticas y los dispositivos de comunicación funcionan codificando información en fotones individuales o enredados, lo que permite que los datos se transmitan y manipulen de forma cuántica de forma segura exponencialmente más rápido de lo que es posible con la electrónica convencional. Ahora, los investigadores cuánticos del Stevens Institute of Technology han demostrado un método para codificar mucha más información en un solo fotón, abriendo la puerta a herramientas de comunicación cuántica aún más rápidas y poderosas.

Por lo general, los sistemas de comunicación cuántica "escriben" información en el momento angular de giro de un fotón. En este caso, los fotones realizan una rotación circular hacia la derecha o hacia la izquierda, o forman una superposición cuántica de los dos conocida como qubit bidimensional.

También es posible codificar información en el momento angular orbital de un fotón:la trayectoria en espiral que sigue la luz a medida que gira y gira hacia adelante, con cada fotón dando vueltas alrededor del centro del haz. Cuando el espín y el momento angular se entrelazan, forma un qudit de alta dimensión, lo que permite codificar y propagar cualquiera de un rango teóricamente infinito de valores en un solo fotón.

Los qubits y qudits, también conocidos como qubits voladores y qudits voladores, se utilizan para propagar información almacenada en fotones de un punto a otro. La principal diferencia es que los qudits pueden transportar mucha más información a la misma distancia que los qubits, lo que proporciona la base para impulsar la comunicación cuántica de próxima generación.

En un artículo de portada en la edición de agosto de 2022 de Optica , los investigadores dirigidos por Stefan Strauf, jefe del Laboratorio de nanofotónica en Stevens, muestran que pueden crear y controlar qudits voladores individuales, o fotones "retorcidos", a pedido, un avance que podría expandir drásticamente las capacidades de las herramientas de comunicación cuántica.

"Normalmente, el momento angular de giro y el momento angular orbital son propiedades independientes de un fotón. Nuestro dispositivo es el primero en demostrar el control simultáneo de ambas propiedades a través del acoplamiento controlado entre los dos", explicó Yichen Ma, estudiante graduado en el Laboratorio de Nanofotónica de Strauf. , quien dirigió la investigación en colaboración con Liang Feng en la Universidad de Pensilvania y Jim Hone en la Universidad de Columbia.

"Lo que lo convierte en un gran problema es que hemos demostrado que podemos hacer esto con fotones individuales en lugar de haces de luz clásicos, que es el requisito básico para cualquier tipo de aplicación de comunicación cuántica", dijo Ma.

La codificación de información en momento angular orbital aumenta radicalmente la información que se puede transmitir, explicó Ma. Aprovechar los fotones "retorcidos" podría aumentar el ancho de banda de las herramientas de comunicación cuántica, permitiéndoles transmitir datos mucho más rápido.

Para crear fotones retorcidos, el equipo de Strauf utilizó una película de diseleniuro de tungsteno del grosor de un átomo, un nuevo material semiconductor de próxima aparición, para crear un emisor cuántico capaz de emitir fotones individuales.

A continuación, acoplaron el emisor cuántico en un espacio con forma de rosquilla de reflexión interna llamado resonador de anillo. Al ajustar la disposición del emisor y el resonador en forma de engranaje, es posible aprovechar la interacción entre el giro del fotón y su momento angular orbital para crear fotones "retorcidos" individuales a pedido.

La clave para habilitar esta funcionalidad de bloqueo del momento de giro se basa en el patrón en forma de engranaje del resonador de anillo, que cuando se diseña cuidadosamente en el diseño, crea el haz de luz de vórtice retorcido que el dispositivo dispara a la velocidad de la luz.

Al integrar esas capacidades en un solo microchip que mide solo 20 micrones de ancho, aproximadamente una cuarta parte del ancho de un cabello humano, el equipo ha creado un emisor de fotones retorcidos capaz de interactuar con otros componentes estandarizados como parte de un sistema de comunicaciones cuánticas. /P>

Quedan algunos desafíos clave. Si bien la tecnología del equipo puede controlar la dirección en la que un fotón gira en espiral, en sentido horario o antihorario, se necesita más trabajo para controlar el número exacto del modo de momento angular orbital. Esa es la capacidad crítica que permitirá "escribir" un rango teóricamente infinito de diferentes valores y luego extraerlos de un solo fotón. Los últimos experimentos en el laboratorio de nanofotónica de Strauf muestran resultados prometedores de que este problema puede superarse pronto, según Ma.

También se necesita más trabajo para crear un dispositivo que pueda crear fotones retorcidos con propiedades cuánticas rigurosamente consistentes, es decir, fotones indistinguibles, un requisito clave para habilitar la Internet cuántica. Tales desafíos afectan a todos los que trabajan en fotónica cuántica y podrían requerir nuevos avances en la ciencia de los materiales para resolverlos, dijo Ma.

"Hay muchos desafíos por delante", agregó. "Pero hemos demostrado el potencial para crear fuentes de luz cuánticas que son más versátiles que todo lo que antes era posible". + Explora más

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