Computadores quânticos e dispositivos de comunicação funcionam codificando informações em fótons individuais ou emaranhados, permitindo que os dados sejam transmitidos e manipulados com segurança quântica e exponencialmente mais rápido do que é possível com a eletrônica convencional. Agora, pesquisadores quânticos do Stevens Institute of Technology demonstraram um método para codificar muito mais informações em um único fóton, abrindo a porta para ferramentas de comunicação quântica ainda mais rápidas e poderosas.
Normalmente, os sistemas de comunicação quântica "escrevem" informações no momento angular de rotação de um fóton. Nesse caso, os fótons realizam uma rotação circular à direita ou à esquerda ou formam uma superposição quântica dos dois, conhecida como qubit bidimensional.

Também é possível codificar informações no momento angular orbital de um fóton – o caminho de saca-rolhas que a luz segue enquanto gira e gira para frente, com cada fóton circulando em torno do centro do feixe. Quando o spin e o momento angular se interligam, ele forma um qudit de alta dimensão - permitindo que qualquer um de uma faixa teoricamente infinita de valores seja codificado e propagado por um único fóton.

Qubits e qudits, também conhecidos como qubits voadores e qudits voadores, são usados ​​para propagar informações armazenadas em fótons de um ponto a outro. A principal diferença é que os qudits podem transportar muito mais informações na mesma distância do que os qubits, fornecendo a base para turbinar a comunicação quântica da próxima geração.

Em uma reportagem de capa na edição de agosto de 2022 da Optica , pesquisadores liderados por Stefan Strauf, chefe do NanoPhotonics Lab em Stevens, mostram que eles podem criar e controlar qudits voadores individuais, ou fótons "torcidos", sob demanda - um avanço que poderia expandir drasticamente as capacidades das ferramentas de comunicação quântica.

“Normalmente, o momento angular de rotação e o momento angular orbital são propriedades independentes de um fóton. , que liderou a pesquisa em colaboração com Liang Feng, da Universidade da Pensilvânia, e Jim Hone, da Universidade de Columbia.

“O que torna isso importante é que mostramos que podemos fazer isso com fótons únicos em vez de feixes de luz clássicos, que é o requisito básico para qualquer tipo de aplicação de comunicação quântica”, disse Ma.

A codificação da informação em momento angular orbital aumenta radicalmente a informação que pode ser transmitida, explicou Ma. Aproveitar os fótons "torcidos" pode aumentar a largura de banda das ferramentas de comunicação quântica, permitindo que transmitam dados muito mais rapidamente.

Para criar fótons sinuosos, a equipe de Strauf usou um filme de disseleneto de tungstênio com a espessura de um átomo, um novo material semicondutor, para criar um emissor quântico capaz de emitir fótons únicos.

Em seguida, eles acoplaram o emissor quântico em um espaço internamente reflexivo em forma de rosquinha chamado ressonador de anel. Ao ajustar o arranjo do emissor e do ressonador em forma de engrenagem, é possível alavancar a interação entre o spin do fóton e seu momento angular orbital para criar fótons "torcidos" individuais sob demanda.

A chave para habilitar essa funcionalidade de travamento de momento de rotação está no padrão em forma de engrenagem do ressonador de anel, que, quando cuidadosamente projetado no design, cria o feixe de luz de vórtice sinuoso que o dispositivo dispara na velocidade da luz.

Ao integrar esses recursos em um único microchip medindo apenas 20 mícrons – cerca de um quarto da largura de um cabelo humano – a equipe criou um emissor de fótons sinuosos capaz de interagir com outros componentes padronizados como parte de um sistema de comunicação quântica.

Alguns desafios importantes permanecem. Embora a tecnologia da equipe possa controlar a direção na qual um fóton gira – no sentido horário ou anti-horário – é necessário mais trabalho para controlar o número exato do modo de momento angular orbital. Essa é a capacidade crítica que permitirá que uma gama teoricamente infinita de valores diferentes seja "escrita" e posteriormente extraída de um único fóton. Os experimentos mais recentes no Laboratório de Nanofotônica de Strauf mostram resultados promissores de que esse problema pode ser superado em breve, de acordo com Ma.

Mais trabalho também é necessário para criar um dispositivo que possa criar fótons retorcidos com propriedades quânticas rigorosamente consistentes, ou seja, fótons indistinguíveis – um requisito fundamental para habilitar a internet quântica. Esses desafios afetam todos que trabalham em fotônica quântica e podem exigir novos avanços na ciência dos materiais para serem resolvidos, disse Ma.

"Muitos desafios estão por vir", acrescentou. "Mas mostramos o potencial de criar fontes de luz quântica que são mais versáteis do que qualquer coisa que fosse possível anteriormente." + Explorar mais

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