Исследователи из Пекинского технологического института разработали фотонный манипулятор ТАМ, который эффективно использует угловой момент фотонов, открывая новые возможности для передачи данных, шифрования и обработки квантовых сигналов. Новая технология позволяет эффективно идентифицировать и контролировать закономерности углового момента в режиме реального времени.

Вращающиеся объекты обладают угловым моментом — свойством, которое распространяется на мельчайшие частицы, такие как фотоны. Фотоны обладают двумя различными формами углового момента: спиновым угловым моментом (SAM) и орбитальным угловым моментом (OAM). Спиновый угловой момент танцует между двумя собственными значениями, представляющими левую и правую круговую поляризацию, в то время как орбитальный угловой момент имеет бесконечное количество собственных значений, что соответствует спиральной фазе. Когда SAM объединяется с OAM, мы становимся свидетелями появления «полного углового момента» (TAM), фотонного набора инструментов с широким спектром приложений, охватывающим лидар, лазерную обработку, оптическую связь, оптические вычисления, квантовую информацию и многое другое.

Точно так же, как OAM привнес революционные изменения в эту область, эффективная идентификация и контроль шаблонов TAM в реальном времени также являются ключом к революционным приложениям TAM. Однако существующие методы идентификации состояний ТАМ фотонов имеют ограничения, в том числе ограниченный динамический диапазон, низкую точность идентификации и невозможность настройки фильтров «на лету». Эти ограничения ограничивают прогресс в разработке и применении ТАМ. Извлечение желаемой структуры ТАМ из фотонного луча остается неразгаданной загадкой.

Концептуальная структура манипулятора полного углового момента: луч, несущий несколько мод углового момента, фильтруется через манипулятор. Источник: Ли и др., doi10.1117/1.AP.5.5.056002.

По данным журнала Advanced Photonics, исследователи из Пекинского технологического института разработали фотонный манипулятор ТАМ, который устраняет препятствия и позволяет по требованию манипулировать ЗРК и ОАМ. Их подход предполагает симметричный каскад из двух одинаковых блоков: разветвителя ТАМ и инвертора ТАМ. Эти блоки состоят из специализированных оптических элементов, называемых распаковщиками и корректорами.

Мы можем думать о фотонном манипуляторе ТАМ как о дирижере, руководящем симфоническим оркестром света. Разделитель ТАМ преобразует входящий луч в пространственно расположенную комбинацию полос, каждая из которых представляет диаграмму ТАМ. Пространственный фильтр начинает работать, решая, какие шаблоны ТАМ необходимо сохранить, а какие заблокировать. Наконец, реверсер ТАМ возвращает разделенный луч в пространственную область, завершая симфонию. Этот процесс преобразования отображает падающий луч из пространственной области в «область положения-TAM», позволяя фильтровать перед преобразованием в пространственную область.

Производительность системы в ситуациях сквозной и выборочной блокировки, когда возникает несколько состояний TAM. (а) Экспериментальные результаты падающего пучка; (б) ТАМ-спектры выходного пучка в двух вышеуказанных случаях. В случае сквозного режима режим вывода такой же, как режим ввода. Для случая избирательной блокировки пространственным фильтром, помещенным в плоскость разделения, является Sp2. При блокировке форма этих лучей меняется с лепестковой на пончиковую. Источник: Ли и др., doi10.1117/1.AP.5.5.056002.

Экспериментальная демонстрация, о которой сообщили исследователи, поддерживает идентификацию до 42 отдельных паттернов ТАМ. Результаты исследования показывают, что TAM имеет хорошие характеристики выбора состояний и поэтому особенно привлекателен для высокоскоростной передачи данных с большой емкостью и систем фотонного шифрования с высоким уровнем безопасности. Он также открывает новые перспективы в области высокоточных фотонных вычислений и обработки квантовых радиолокационных сигналов.