Entangled lyskilde er fuldt on-chip

Entangled lyskilde er fuldt on-chip

Tidsstempel: 3. maj 2023 kl. 10

Multifoton sammenfiltring
Klyngeskabelse: kunstnerisk indtryk af en tilstand, der indeholder flere sammenfiltrede fotoner. (Med høflighed: iStock/agsandrew)

Par af sammenfiltrede fotoner er en nøgleingrediens i fotoniske kvantecomputere, kvantenøgledistributionssystemer og mange kvantenetværksdesign. At producere sammenfiltrede fotoner efter behov kræver generelt omfangsrige lasere og langvarige justeringsprocedurer – og dette begrænser disse teknologiers kommercielle levedygtighed. Nu har et team af forskere i Tyskland og Holland brugt en ny arkitektur til at kombinere flere integrerede fotoniske teknologier i én enhed. Resultatet er en komplet sammenfiltret fotonkilde på en chip, der er omtrent på størrelse med en euromønt.

"Denne chip er meget nem at bruge," siger teammedlem Raktim Haldar, som er postdoc-forsker ved Leibniz Universitet Hannover. "Du skal bare tilslutte det og tænde det, og det kan generere kvantefotonerne - du behøver ikke andet eller nogen anden ekspertise." Han tilføjer, at kilden i fremtiden vil kunne findes i enhver optisk kvanteprocessor på samme måde, som lithium-ion-batterier findes i ethvert elektronisk system i dag.

Fotoniske kvantebits (qubits) er en af ​​flere teknologier, der konkurrerer om at blive grundlaget for fremtidige kvantecomputere. De tilbyder flere fordele i forhold til andre typer qubits, herunder dem, der er baseret på superledende enheder og fangede atomer eller ioner. For eksempel behøver fotoniske qubits ikke at blive afkølet til kryogene temperaturer, og de er mindre modtagelige for miljøstøj, der kan ødelægge sarte kvantesystemer.

Svært at vikle

På den negative side er fotoniske qubits mere modtagelige for tab, og de er meget sværere at sammenfiltre - sidstnævnte er nødvendigt for beregninger, der involverer mere end én qubit ad gangen.

Integreret fotonik, hvor fotoner er begrænset til at bevæge sig i mikron-bredde bølgeledere trykt på chips, tilbyder en måde at forbedre lys-baserede kvantecomputere

"Fotoniske kvantecomputere har et stort problem med tab," siger Elizabeth Goldschmidt, en kvanteoptikprofessor ved University of Illinois Urbana Champaign, som ikke var involveret i at skabe den nye kilde. "Fordi grænseflader er særligt tabsgivende, er det meget vigtigt at gå på chip."

I deres seneste forskning har Haldar og kolleger skabt et fotoniksystem-på-en-chip, der genererer sammenfiltrede fotoner. Den består af tre hovedkomponenter: en laser; et filter, der sikrer laserstabilitet ved et smalt frekvensbånd; og et ikke-lineært medium, der genererer sammenfiltrede fotonpar. Mens lasere og kvantelyskilder, der kræver en ekstern laser, er blevet skabt på chip før, har det været en udfordring at sætte begge på den samme chip. Dette skyldes, at de materialer, der bruges til lasering, er forskellige fra dem, der kræves til filtrering og generering af sammenfiltrede par, og fremstillingsprocesserne for de to materialer er generelt uforenelige.

Hybrid integration

Holdet overvandt denne inkompatibilitet ved hjælp af en teknik kaldet hybrid integration. Forstærkningsmediet, der blev brugt til lasering, var lavet af indiumphosphid, mens filtrerings- og fotongenereringskomponenterne var fremstillet af siliciumnitrid. For at holde de to sammen brugte teamet ekspertisen fra Klaus Boller's gruppe ved University of Twente. Bollers team er dygtige til at lime forskellige spåner sammen med tilstrækkelig finesse til, at de mikroskopiske lysledende komponenter er på linje og forbinder så perfekt, at næsten intet lys går tabt ved grænsefladen. For at undgå refleksion ved grænsefladen tilføjede de en anti-reflekterende belægning og lagde enden af ​​indiumphosphidbølgelederen opad fra chippen med 9°. Dette gjorde det muligt for dem at opnå mindre end 0.01 dB tab på tværs af grænsefladen.

For at hjælpe med den sømløse integration af alle komponenterne, valgte teamet et design, hvor laserforstærkningsmediet, filteret og foton-pargenereringsbølgelederne alle er indeholdt i laserhulrummet. "De fandt på dette smarte skema til at integrere både filtreringen og parproduktionen i de samme siliciumnitridringe og laseren på den samme chip, hvilket er meget cool," forklarer Goldschmidt.

Konstruktion af hele mekanismen inde i laserhulrummet var ingen let sag. Især det filter, de brugte, var ikke blevet tilpasset til kvantelysformål, og de arbejdede hårdt på at tilpasse det. "Tabet skal svare til den samlede gevinst for at opretholde laseraktion," siger Haldar, "og det er en meget vanskelig teknisk udfordring. Hvis et mellemrum mellem to bølgeledere f.eks. er 200 nm, kan en ændring af det til kun 180 nm få hele chippen til ikke at fungere."

Chippen skaber par af frekvens-sammenfiltrede fotoner med 99% troskab omkring 1000 gange i sekundet. Holdet arbejder nu på at udvide de fotoniske muligheder på chip til at omfatte oprettelsen af ​​multifoton-klyngetilstande. Disse er tilstande, der omfatter flere sammenfiltrede fotoner, der kunne bruges som effektive qubits, der er mindre modtagelige for tab. At skabe effektive klyngetilstande er et vanskeligt åbent problem inden for kvanteberegning. Goldschmidt siger, "at multiplekse flere af disse kilder på den samme chip er en meget klar vej frem og lader dig vikle flere frihedsgrader og opbygge mere komplicerede sammenfiltrede tilstande".

De beskrev deres resultater i Nature Photonics.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden