Как правило, системы квантовой связи "записывают" информацию на спиновый момент импульса фотона. В этом случае фотоны совершают либо правое, либо левое круговое вращение, либо образуют квантовую суперпозицию из двух, известную как двумерный кубит. Также возможно закодировать информацию в орбитальный момент импульса фотона - траекторию штопора, по которой движется свет, когда он закручивается вперед, причем каждый фотон вращается вокруг центра луча. Когда спин и угловой момент сцепляются, он образует многомерный qudit, позволяющий закодировать любое из теоретически бесконечного диапазона значений и распространить его с помощью одного фотона.

Кубиты и кудиты, также известные как летающие кубиты и flying qudits, используются для распространения информации, хранящейся в фотонах, из одной точки в другую. Основное отличие заключается в том, что кудиты могут передавать гораздо больше информации на то же расстояние, что и кубиты, обеспечивая основу для квантовой связи следующего поколения с турбонаддувом.

В статье на обложке августовского номера журнала за 2022 год Оптика Исследователи во главе со Стефаном Страуфом, главой лаборатории нанофотоники в Стивенсе, показывают, что они могут создавать отдельные летающие кудиты, или "извилистые" фотоны, и управлять ими по требованию - прорыв, который может значительно расширить возможности инструментов квантовой связи. Работа основана на документе группы за 2018 год в Природные нанотехнологии.

"Обычно спиновый момент импульса и орбитальный момент импульса являются независимыми свойствами фотона. Наше устройство является первым, продемонстрировавшим одновременное управление обоими свойствами посредством контролируемой связи между ними", - объяснил Ичен Ма, аспирант лаборатории нанофотоники Страуфа, который руководил исследованием в сотрудничестве с Лян Фенгом из Пенсильванского университета и Джимом Хоном из Колумбийского университета.

"Что делает это важным, так это то, что мы показали, что можем делать это с помощью одиночных фотонов, а не классических световых пучков, что является основным требованием для любого вида применения квантовой связи", - сказал Ма.

Кодирование информации в орбитальный угловой момент радикально увеличивает количество информации, которая может быть передана, объяснил Ма. Использование "извилистых" фотонов могло бы увеличить пропускную способность квантовых средств связи, позволив им передавать данные гораздо быстрее.

Чтобы создать извилистые фотоны, команда Страуфа использовала пленку диселенида вольфрама толщиной в атом, нового полупроводникового материала, для создания квантового излучателя, способного излучать одиночные фотоны.

Затем они соединили квантовый излучатель с внутренним отражающим пространством в форме пончика, называемым кольцевым резонатором. Путем точной настройки расположения излучателя и зубчатого резонатора можно использовать взаимодействие между спином фотона и его орбитальным моментом импульса для создания отдельных "извилистых" фотонов по требованию. Ключом к включению этой функции блокировки вращательного момента является зубчатый рисунок кольцевого резонатора, который при тщательном проектировании создает извилистый вихревой луч света, который устройство выпускает со скоростью света.

Объединив эти возможности в единый микрочип размером всего 20 микрон в поперечнике - примерно четверть ширины человеческого волоса - команда создала излучатель извилистых фотонов, способный взаимодействовать с другими стандартизированными компонентами как часть системы квантовой связи.

Некоторые ключевые проблемы остаются нерешенными. В то время как технология команды может контролировать направление, в котором фотон вращается по спирали - по часовой стрелке или против часовой стрелки, - требуется больше работы, чтобы контролировать точный номер режима орбитального углового момента. Это критическая способность, которая позволит "записать" в один фотон теоретически бесконечный диапазон различных значений, а затем извлечь их из него. По словам Ма, последние эксперименты в лаборатории нанофотоники Страуфа показывают многообещающие результаты, свидетельствующие о том, что эта проблема может быть вскоре преодолена.

Дальнейшая работа также необходима для создания устройства, которое может создавать скрученные фотоны со строго согласованными квантовыми свойствами, то есть неразличимые фотоны - ключевое требование для обеспечения квантового интернета. По словам Ма, такие проблемы затрагивают всех, кто работает в области квантовой фотоники, и для их решения могут потребоваться новые прорывы в материаловедении.

"Впереди нас ждет множество проблем", - добавил он. "Но мы показали потенциал для создания квантовых источников света, которые являются более универсальными, чем все, что было возможно ранее".