量子计算机和通信设备通过将信息编码成单个或纠缠的光子来工作，使数据能够比传统电子设备更快的速度进行安全的量子传输和操作。现在，史蒂文斯理工学院的量子研究人员已经展示了一种将更多信息编码为单个光子的方法，为更快、更强大的量子通信工具打开了大门。

一种能够发射单光子的量子发射器，与齿轮形谐振器集成在一起。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来按需创建单个“扭曲”光子。图片来源：史蒂文斯理工学院

通常，量子通信系统将信息“写入”到光子的自旋角动量上。在这种情况下，光子进行左右圆周旋转，或者形成两者的量子叠加，称为二维量子位。

也可以将信息编码到光子的轨道角动量上——光在向前扭转和扭转时所遵循的螺旋形路径，每个光子围绕光束的中心旋转。当自旋和角动量互锁时，它形成了一个高维量子点——使理论上无限范围的值能够被编码到单个光子中并由单个光子传播。

Qubits 和 qudits，也称为飞行 qubits 和飞行 qudits，用于将存储在光子中的信息从一个点传播到另一个点。主要区别在于，与量子比特相比，量子比特可以在相同距离内携带更多信息，为加速下一代量子通信奠定了基础。

在 2022 年 8 月号Optica的封面故事中，由史蒂文斯纳米光子学实验室负责人 Stefan Strauf 领导的研究人员表明，他们可以按需创建和控制单个飞行量子点或“扭曲”光子——这一突破可以极大地扩展了量子通信工具的能力。

“通常，自旋角动量和轨道角动量是光子的独立属性。我们的设备是第一个通过两者之间的受控耦合来同时控制这两种属性的设备，”Strauf 纳米光子学实验室的研究生 Yichen Ma 解释说，他与宾夕法尼亚大学的梁峰和哥伦比亚大学的吉姆霍恩合作领导了这项研究。

“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做到这一点，这是任何类型的量子通信应用的基本要求，”马说。

Ma解释说，将信息编码为轨道角动量从根本上增加了可以传输的信息。利用“扭曲”的光子可以提高量子通信工具的带宽，使它们能够更快地传输数据。

为了制造扭曲的光子，Strauf 的团队使用了一种即将推出的新型半导体材料二硒化钨的原子厚薄膜来制造能够发射单光子的量子发射器。

接下来，他们将量子发射器耦合到称为环形谐振器的内部反射环形空间中。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，按需产生单个“扭曲”光子。

启用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，当在设计中精心设计时，它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直径仅为 20 微米（大约是人类头发宽度的四分之一）的单个微芯片中，该团队创造了一种扭曲光子发射器，该发射器能够与其他标准化组件交互，作为量子通信系统的一部分。

一些关键挑战仍然存在。虽然该团队的技术可以控制光子螺旋的方向——顺时针或逆时针——但需要做更多的工作来控制精确的轨道角动量模式数。这是一种关键能力，它可以将理论上无限范围的不同值“写入”到单个光子中，然后再从单个光子中提取出来。据 Ma 说，Strauf 纳米光子学实验室的最新实验表明，这个问题很快就会得到解决。

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的量子特性的扭曲光子，即无法区分的光子——这是实现量子互联网的关键要求。马说，这些挑战影响着所有从事量子光子学工作的人，可能需要材料科学方面的新突破来解决。

“前方有很多挑战，”他补充说：“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方法都更加通用。”