La technologie sur puce de l’équipe utilise le moment angulaire orbital pour coder plus d’informations en un seul photon

En règle générale, les systèmes de communication quantique “écrivent” des informations sur le moment cinétique de spin d’un photon. Dans ce cas, les photons effectuent soit une rotation circulaire droite ou gauche, soit forment une superposition quantique des deux connue sous le nom de qubit bidimensionnel. Il est également possible d’encoder des informations sur le moment cinétique orbital d’un photon – le chemin en tire-bouchon que la lumière suit lorsqu’elle se tord et se tord vers l’avant, chaque photon tournant autour du centre du faisceau. Lorsque le spin et le moment cinétique s’imbriquent, il forme un qudit de grande dimension – permettant à n’importe quelle plage de valeurs théoriquement infinie d’être codée et propagée par un seul photon.

Les qubits et qudits, également appelés qubits volants et qudits volants, sont utilisés pour propager les informations stockées dans les photons d’un point à un autre. La principale différence est que les qudits peuvent transporter beaucoup plus d’informations sur la même distance que les qubits, ce qui constitue la base de la turbocompression de la communication quantique de nouvelle génération.

Dans un article de couverture du numéro d’août 2022 de Optique, des chercheurs dirigés par Stefan Strauf, responsable du NanoPhotonics Lab de Stevens, montrent qu’ils peuvent créer et contrôler des qudits volants individuels, ou photons “tordus”, à la demande – une percée qui pourrait considérablement étendre les capacités des outils de communication quantique. Le travail s’appuie sur le document de l’équipe de 2018 dans Nanotechnologie de la nature.

“Normalement, le moment cinétique de spin et le moment cinétique orbital sont des propriétés indépendantes d’un photon. Notre appareil est le premier à démontrer le contrôle simultané des deux propriétés via le couplage contrôlé entre les deux”, a expliqué Yichen Ma, étudiant diplômé du laboratoire NanoPhotonics de Strauf. , qui a dirigé la recherche en collaboration avec Liang Feng de l’Université de Pennsylvanie et Jim Hone de l’Université de Columbia.

“Ce qui en fait un gros problème, c’est que nous avons montré que nous pouvons le faire avec des photons uniques plutôt qu’avec des faisceaux lumineux classiques, ce qui est l’exigence de base pour tout type d’application de communication quantique”, a déclaré Ma.

Le codage des informations en moment cinétique orbital augmente radicalement les informations qui peuvent être transmises, a expliqué Ma. Tirer parti des photons “tordus” pourrait augmenter la bande passante des outils de communication quantique, leur permettant de transmettre des données beaucoup plus rapidement.

Pour créer des photons sinueux, l’équipe de Strauf a utilisé un film d’épaisseur atomique de diséléniure de tungstène, un nouveau matériau semi-conducteur à venir, pour créer un émetteur quantique capable d’émettre des photons uniques.

Ensuite, ils ont couplé l’émetteur quantique dans un espace en forme de beignet à réflexion interne appelé résonateur en anneau. En affinant la disposition de l’émetteur et du résonateur en forme d’engrenage, il est possible de tirer parti de l’interaction entre le spin du photon et son moment cinétique orbital pour créer des photons “tordus” individuels à la demande. La clé pour activer cette fonctionnalité de verrouillage de l’impulsion de rotation repose sur le motif en forme d’engrenage du résonateur annulaire, qui, lorsqu’il est soigneusement conçu dans la conception, crée le faisceau de lumière vortex sinueux que l’appareil projette à la vitesse de la lumière.

En intégrant ces capacités dans une seule micropuce mesurant seulement 20 microns de diamètre – environ un quart de la largeur d’un cheveu humain – l’équipe a créé un émetteur de photons torsadés capable d’interagir avec d’autres composants standardisés dans le cadre d’un système de communication quantique .

Certains défis majeurs demeurent. Alors que la technologie de l’équipe peut contrôler la direction dans laquelle un photon tourne en spirale – dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre – il reste encore du travail à faire pour contrôler le nombre exact de mode de moment angulaire orbital. C’est la capacité critique qui permettra à une gamme théoriquement infinie de valeurs différentes d’être “écrites” dans et extraites plus tard d’un seul photon. Les dernières expériences du laboratoire de nanophotonique de Strauf montrent des résultats prometteurs que ce problème peut être rapidement surmonté, selon Ma.

Des travaux supplémentaires sont également nécessaires pour créer un dispositif capable de créer des photons torsadés avec des propriétés quantiques rigoureusement cohérentes, c’est-à-dire des photons indiscernables – une exigence clé pour activer l’Internet quantique. De tels défis affectent tous ceux qui travaillent dans la photonique quantique et pourraient nécessiter de nouvelles percées en science des matériaux pour être résolus, a déclaré Ma.

“Beaucoup de défis nous attendent”, a-t-il ajouté. “Mais nous avons montré le potentiel de création de sources de lumière quantique plus polyvalentes que tout ce qui était possible auparavant.”