A fotonikus eszközök és rendszerek gyors fejlődése ellenére a chipen belüli információs technológiák többnyire kétszintű rendszerekre korlátozódnak, mivel a szigorú követelmények kielégítéséhez nincs elég lehetőség a rekonfigurálásukra. A Penn Engineering kutatói egy olyan hiperdimenziós, spin-orbit mikrolézerchipet hoztak létre, amely túlszárnyalja a meglévő kvantumkommunikációs hardverek biztonságát és robusztusságát. Rendszerük "quditokat" használ a kommunikációhoz, megduplázva ezzel a korábbi, chipre épített lézerek kvantuminformációs terét.
A fejlett kvantumeszközök qubiteket használnak, a digitális információ olyan egységeit, amelyek egyszerre képesek felvenni az 1 és a 0 értéket. A kvantummechanikában az egyidejűség ezen állapotát "szuperpozíciónak" nevezik. A két szintnél nagyobb szuperpozíciós állapotban lévő kvantumbitet quditnak nevezik, hogy jelezzék ezeket a további dimenziókat. Másképpen fogalmazva, egy x qubittel működő kvantumszámítógép 2x számítást tud végezni. Azonban egy x számú qudittal dolgozó gép, ahol D a quditonkénti állapotok számát jelenti, Dx számú számítást tud végrehajtani. Ez azt jelenti, hogy ugyanazt az információt kevesebb kvantumrészecskébe kódolhatja, ha quditokat használ.
A most bemutatott új eszköz négyszintű quditokat használ, amelyek jelentős előrelépést tesznek lehetővé a kvantumkriptográfiában. Ezenfelül az eszköz négy szuperpozíciós szintet kínál, és megnyitja az utat a dimenziók számának további növelése előtt.
Zhifeng Zhang, a PennState egyetem anyagtudományi és mérnöki karának kutatója elmondta: "A legnagyobb kihívást a szabványos elrendezés bonyolultsága és az jelentette, hogy nem lehet skálázni. Már tudtuk, hogyan lehet ezeket a négyszintű rendszereket létrehozni, de egy laboratóriumra és sok különböző optikai eszközre volt szükség ahhoz, hogy a dimenziónövekedéssel kapcsolatos összes paramétert ellenőrizni tudjuk. A célunk az volt, hogy ezt egyetlen chipen érjük el. És éppen ez sikerült is."
Az áttörést a hiperdimenziós spin-orbit mikrolézer továbbfejlesztésével érték el. A csoport korábban örvénymikrolézerekkel dolgozott, amelyek érzékenyen szabályozzák a fotonok orbitális szögimpulzusát (OAM). Ezt azzal haladták meg, hogy a mostani eszköz a fotonok spinjének szabályozását adja az előző lézer képességeihez. A vezérlésnek ez a további szintje - az OAM és a spin manipulálásának és összekapcsolásának képessége - teszi lehetővé számukra a négyszintű rendszer megvalósítását. A csapat munkájának legfőbb kísérleti eredménye az összes olyan paraméter egyidejű szabályozása, amely eddig megakadályozta a qudit létrehozását az integrált fotonikában.
Haoqi Zhao, a projekten dolgozó másik kutató elmondta: "Gondoljunk úgy a fotonjaink kvantumállapotaira, mint két egymásra rakott bolygóra. Korábban csak a bolygók szélességi koordinátáiról volt információnk. Ezzel maximum két szuperpozíciós szintet tudtunk létrehozni. Nem volt elég információnk ahhoz, hogy négyre emeljük őket. Most már a hosszúsági fokok is megvannak. Ez az az információ, amire szükségünk van ahhoz, hogy a fotonokat kapcsolt módon manipuláljuk, és dimenziónövekedést érjünk el. Összehangoljuk az egyes bolygók forgását és pörgését, és stratégiai viszonyban tartjuk a két bolygót egymással."
Liang Feng, a tanszék professzora elmondta: "Sokan aggódnak amiatt, hogy a matematikai titkosítás, bármilyen bonyolult is, egyre kevésbé lesz hatékony, mert a számítástechnika terén olyan gyorsan fejlődünk. Az, hogy a kvantumkommunikáció inkább fizikai, mint matematikai akadályokra támaszkodik, immunissá teszi ezekkel a jövőbeli fenyegetésekkel szemben. Minden eddiginél fontosabb, hogy folytassuk a kvantumkommunikációs technológiák fejlesztését és tökéletesítését."
