“扭曲”的光子可為下一代量子通信提供渦輪增壓

量子計算機和通信設備通過將信息編碼為單個光子或糾纏光子來工作，從而使數據能夠以量子安全的方式傳輸和處理，其速度比傳統電子設備快得多。相關研究人員展示了一種將更多信息編碼成單個光子的方法，為更快、更強大的量子通信工具打開了大門。

通常，量子通信系統將信息“寫入”光子的自旋角動量。在這種情況下，光子進行右或左循環旋轉，或者形成兩個量子疊加，稱為二維量子比特。

也可以將信息編碼到光子的軌道角動量上，即光在向前扭曲和扭轉時所遵循的螺旋路徑，每個光子圍繞光束中心旋轉。當自旋和角動量互鎖時，它會形成一個高維量子數，使得理論上無限范圍的值中的任何一個都能被編碼到單個光子中并由其傳播。

在2022年8月號《Optica》的封面故事中，Stefan Strauf表示，他們可以根據需要創建和控制單個飛行量子或“扭曲”光子，這一突破可能會極大地擴展量子通信工具的功能。

能夠發射單個光子的基于集成齒輪形諧振器的量子發射器。通過微調發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量之間的相互作用，根據需要創建單個“扭曲”光子。

“通常，自旋角動量和軌道角動量是光子的獨立性質。我們的設備是第一個通過兩者之間的受控耦合同時控制這兩種性質的設備，”研究生Yichen Ma解釋道。

Ma說：“重要的是，我們已經證明，我們可以用單光子而不是經典光束來實現這一點，這是任何量子通信應用的基本要求。”將信息編碼到軌道角動量中，從根本上增加了可以傳輸的信息。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數據。

為了產生扭曲的光子，團隊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體材料，來創建能夠發射單個光子的量子發射器。

接下來，他們將量子發射器耦合到一個內部反射的環形空間中，該空間稱為環形諧振器。通過微調發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量之間的相互作用，根據需要創建單個“扭曲”光子。

實現這種自旋動量鎖定功能的關鍵在于環形諧振器的齒輪形圖案，在設計中經過精心設計后，會產生扭曲的渦旋光束，設備以光速射出。

通過將這些功能集成到一個只有20微米、大約四分之一人類頭發寬度的單片微芯片中，該團隊創造了一個扭曲的光子發射器，作為量子通信系統的一部分，它能夠與其他標準化組件交互。

一些關鍵挑戰仍然存在。雖然該團隊的技術可以控制光子順時針或逆時針旋轉的方向，但要控制準確的軌道角動量模數還需要更多的工作。這是一種關鍵能力，它將使理論上無限范圍的不同值被“寫入”到單個光子中，然后從中提取。   

還需要進一步的工作來創建一種設備，該設備可以創建具有嚴格一致量子特性的扭曲光子，即無法區分的光子，這是啟用量子互聯網的關鍵要求。馬說，這些挑戰影響到量子光子學領域的每個人，可能需要材料科學的新突破來解決。

他補充道：“前面還有很多挑戰。”。“但我們已經展示了創造量子光源的潛力，這種光源比以前任何可能的光源都更加通用。”

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