介绍一种将更多信息编码成单个光子的方法

量子计算机和通信设备的工作原理是通过将信息编码为单个光子或纠缠光子，从而使数据能够以量子安全的方式传输和处理，其速度比传统电子设备快得多。

现在，史蒂文斯理工学院的量子相关研究人员展示了一种将更多信息编码成单个光子的方法，为更快、更强大的量子通信工具打开了大门。

通常，量子通信系统将信息“写入”光子的自旋角动量。在这种情况下，光子进行右或左循环旋转，或者形成两个量子叠加，称为二维量子比特。

也可以将信息编码到光子的轨道角动量上，即光在向前扭曲和扭转时所遵循的螺旋路径，每个光子围绕光束中心旋转。

当自旋和角动量互锁时，它会形成一个高维量子数，使得理论上无限范围的值中的任何一个都能被编码到单个光子中并由其传播。

在2022年8月《Optica》杂志的封面故事中，由史蒂文斯纳米光子学实验室负责人斯特凡·斯特劳夫（Stefan Strauf）领导的研究人员表示，他们可以根据需要创建和控制单个飞行量子或“扭曲”光子，这一突破可能会极大地扩展量子通信工具的功能。 能够发射单个光子的基于集成齿轮形谐振器的量子发射器。

通过微调发射器和齿轮形谐振器的排列，可以利用光子自旋与其轨道角动量之间的相互作用，根据需要创建单个“扭曲”光子。

Strauf纳米光子学实验室的研究生马一辰解释道：“通常，自旋角动量和轨道角动量是光子的独立性质。我们的设备是第一个通过两者之间的受控耦合同时控制这两种性质的设备。”

马说：“重要的是，我们已经证明，我们可以用单光子而不是经典光束来实现这一点，这是任何量子通信应用的基本要求。”将信息编码到轨道角动量中，从根本上增加了可以传输的信息。利用“扭曲”光子可以提高量子通信工具的带宽，使其能够更快地传输数据。

为了产生扭曲的光子，团队使用了一种原子厚度的钨二硒化物薄膜，这是一种即将推出的新型半导体材料，来创建能够发射单个光子的量子发射器。 接下来，他们将量子发射器耦合到一个内部反射的环形空间中，该空间称为环形谐振器。

通过微调发射器和齿轮形谐振器的排列，可以利用光子自旋与其轨道角动量之间的相互作用，根据需要创建单个“扭曲”光子。 实现这种自旋动量锁定功能的关键在于环形谐振器的齿轮形图案，在设计中经过精心设计后，会产生扭曲的涡旋光束，设备以光速射出。

通过将这些功能集成到一个只有20微米、大约四分之一人类头发宽度的单片微芯片中，该团队创造了一个扭曲的光子发射器，作为量子通信系统的一部分，它能够与其他标准化组件交互。

一些关键挑战仍然存在。虽然该团队的技术可以控制光子顺时针或逆时针旋转的方向，但要控制准确的轨道角动量模数还需要更多的工作。这是一种关键能力，它将使理论上无限范围的不同值被“写入”到单个光子中，然后从中提取。   

还需要进一步的工作来创建一种设备，该设备可以创建具有严格一致量子特性的扭曲光子，即无法区分的光子，这是启用量子互联网的关键要求。

马说，这些挑战影响到量子光子学领域的每个人，可能需要材料科学的新突破来解决。 他补充道：“前面还有很多挑战。”。“但我们已经展示了创造量子光源的潜力，这种光源比以前任何可能的光源都更加通用。” 






审核编辑：刘清