Η μπλεγμένη πηγή φωτός είναι πλήρως on-chip

Η μπλεγμένη πηγή φωτός είναι πλήρως on-chip

Χρονική σήμανση: 3 Μαΐου 2023 10:47 π.μ.

Πολυφωτονική εμπλοκή
Δημιουργία συστάδων: καλλιτεχνική εντύπωση μιας κατάστασης που περιέχει πολλαπλά μπερδεμένα φωτόνια. (Ευγενική προσφορά: iStock/agsandrew)

Τα ζεύγη εμπλεκόμενων φωτονίων είναι ένα βασικό συστατικό των φωτονικών κβαντικών υπολογιστών, των συστημάτων διανομής κβαντικών κλειδιών και πολλών σχεδίων κβαντικής δικτύωσης. Η παραγωγή μπερδεμένων φωτονίων κατά παραγγελία απαιτεί γενικά ογκώδη λέιζερ και παρατεταμένες διαδικασίες ευθυγράμμισης – και αυτό περιορίζει την εμπορική βιωσιμότητα αυτών των τεχνολογιών. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών στη Γερμανία και την Ολλανδία χρησιμοποίησε μια νέα αρχιτεκτονική για να συνδυάσει πολλές ολοκληρωμένες φωτονικές τεχνολογίες σε μια συσκευή. Το αποτέλεσμα είναι μια πλήρης μπερδεμένη πηγή φωτονίων σε ένα τσιπ που έχει μέγεθος περίπου ενός κέρματος ενός ευρώ.

«Αυτό το τσιπ είναι πολύ εύκολο στη χρήση», λέει το μέλος της ομάδας Ρακτίμ Χαλντάρ, ο οποίος είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Leibniz Hannover. «Απλώς το συνδέετε και το ενεργοποιείτε, και μπορεί να δημιουργήσει τα κβαντικά φωτόνια – δεν χρειάζεστε τίποτα άλλο ή άλλη τεχνογνωσία». Προσθέτει ότι στο μέλλον, η πηγή θα μπορούσε να βρεθεί σε κάθε οπτικό κβαντικό επεξεργαστή με τον ίδιο τρόπο που οι μπαταρίες ιόντων λιθίου βρίσκονται σε κάθε ηλεκτρονικό σύστημα σήμερα.

Τα φωτονικά κβαντικά bit (qubits) είναι μία από τις πολλές τεχνολογίες που ανταγωνίζονται για να γίνουν η βάση των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών. Προσφέρουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλους τύπους qubits, συμπεριλαμβανομένων αυτών που βασίζονται σε υπεραγώγιμες συσκευές και παγιδευμένα άτομα ή ιόντα. Για παράδειγμα, τα φωτονικά qubit δεν χρειάζεται να ψύχονται σε κρυογονικές θερμοκρασίες και είναι λιγότερο ευαίσθητα στον περιβαλλοντικό θόρυβο που μπορεί να καταστρέψει τα ευαίσθητα κβαντικά συστήματα.

Δύσκολο να μπερδευτεί

Από την άλλη πλευρά, τα φωτονικά qubit είναι πιο επιρρεπή σε απώλειες και είναι πολύ πιο δύσκολο να μπερδευτούν – το τελευταίο είναι απαραίτητο για υπολογισμούς που περιλαμβάνουν περισσότερα από ένα qubit τη φορά.

Η ολοκληρωμένη φωτονική, στην οποία τα φωτόνια περιορίζονται να ταξιδεύουν σε κυματοδηγούς πλάτους micron τυπωμένων σε τσιπ, προσφέρει έναν τρόπο βελτίωσης των κβαντικών υπολογιστών που βασίζονται στο φως

«Οι φωτονικοί κβαντικοί υπολογιστές έχουν μεγάλο πρόβλημα με την απώλεια», λέει Elizabeth Goldschmidt, καθηγητής κβαντικής οπτικής στο Πανεπιστήμιο του Illinois Urbana Champaign που δεν συμμετείχε στη δημιουργία της νέας πηγής. «Επειδή οι διεπαφές είναι ιδιαιτέρως ζημιογόνες, η λειτουργία στο chip είναι πολύ σημαντική».

Στην τελευταία τους έρευνα, ο Haldar και οι συνεργάτες του δημιούργησαν ένα φωτονικό σύστημα-σε-ένα-τσιπ που παράγει μπερδεμένα φωτόνια. Αποτελείται από τρία κύρια συστατικά: ένα λέιζερ. ένα φίλτρο που εξασφαλίζει σταθερότητα λέιζερ σε στενή ζώνη συχνοτήτων. και ένα μη γραμμικό μέσο που δημιουργεί πλεγμένα ζεύγη φωτονίων. Ενώ λέιζερ και πηγές κβαντικού φωτός που απαιτούν εξωτερικό λέιζερ έχουν δημιουργηθεί στο τσιπ στο παρελθόν, η τοποθέτηση και των δύο στο ίδιο τσιπ ήταν μια πρόκληση. Αυτό συμβαίνει επειδή τα υλικά που χρησιμοποιούνται για το lasing είναι διαφορετικά από εκείνα που απαιτούνται για το φιλτράρισμα και τη δημιουργία μπερδεμένων ζευγών και οι διαδικασίες κατασκευής για τα δύο υλικά είναι γενικά ασυμβίβαστες.

Υβριδική ολοκλήρωση

Η ομάδα ξεπέρασε αυτή την ασυμβατότητα χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται υβριδική ολοκλήρωση. Το μέσο κέρδους που χρησιμοποιήθηκε για το lasing κατασκευάστηκε από φωσφίδιο του ινδίου, ενώ τα συστατικά φιλτραρίσματος και παραγωγής φωτονίων κατασκευάστηκαν από νιτρίδιο του πυριτίου. Για να κολλήσει τα δύο μαζί, η ομάδα χρησιμοποίησε την τεχνογνωσία του Κλάους Μπόλερ's ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Twente. Η ομάδα του Boller είναι έμπειρη στο να κολλάει διαφορετικά τσιπ με αρκετή λεπτότητα, ώστε τα μικροσκοπικά εξαρτήματα που καθοδηγούν το φως να ευθυγραμμίζονται και να συνδέονται τόσο τέλεια, ώστε να χάνεται σχεδόν καθόλου φως στη διεπαφή. Για να αποφευχθεί η αντανάκλαση στη διεπαφή, πρόσθεσαν μια αντιανακλαστική επίστρωση και έστρωσαν το άκρο του κυματοδηγού φωσφιδίου ινδίου προς τα πάνω από το τσιπ κατά 9°. Αυτό τους επέτρεψε να επιτύχουν λιγότερο από 0.01 dB απώλεια σε όλη τη διεπαφή.

Για να βοηθήσει στην απρόσκοπτη ενσωμάτωση όλων των εξαρτημάτων, η ομάδα επέλεξε ένα σχέδιο στο οποίο το μέσο απολαβής λέιζερ, το φίλτρο και οι κυματοδηγοί δημιουργίας ζεύγους φωτονίων περιέχονται όλα μέσα στην κοιλότητα λέιζερ. «Έφτιαξαν αυτό το έξυπνο σχέδιο για να ενσωματώσουν τόσο το φιλτράρισμα όσο και την παραγωγή ζεύγους στους ίδιους δακτυλίους νιτριδίου του πυριτίου και το λέιζερ στο ίδιο τσιπ, το οποίο είναι πολύ ωραίο», εξηγεί ο Goldschmidt.

Η κατασκευή ολόκληρου του μηχανισμού μέσα στην κοιλότητα του λέιζερ δεν ήταν εύκολη υπόθεση. Συγκεκριμένα, το φίλτρο που χρησιμοποιούσαν δεν είχε προσαρμοστεί για σκοπούς κβαντικού φωτός και εργάστηκαν σκληρά για να το προσαρμόσουν. «Η απώλεια πρέπει να είναι ίση με το συνολικό κέρδος για να διατηρηθεί η δράση λέιζερ», λέει ο Haldar, «και αυτό είναι μια πολύ δύσκολη τεχνική πρόκληση. Εάν ένα κενό μεταξύ δύο κυματοδηγών είναι, ας πούμε, 200 nm, η αλλαγή του σε μόλις 180 nm μπορεί να κάνει ολόκληρο το τσιπ να μην λειτουργεί."

Το τσιπ δημιουργεί ζεύγη φωτονίων που εμπλέκονται στη συχνότητα με 99% πιστότητα περίπου 1000 φορές ανά δευτερόλεπτο. Η ομάδα εργάζεται τώρα για την επέκταση των φωτονικών δυνατοτήτων στο τσιπ για να συμπεριλάβει τη δημιουργία καταστάσεων πολυφωτονικών συστάδων. Αυτές είναι καταστάσεις που περιλαμβάνουν πολλαπλά μπερδεμένα φωτόνια που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως αποτελεσματικά qubits που είναι λιγότερο επιρρεπή σε απώλειες. Η δημιουργία αποτελεσματικών καταστάσεων συμπλέγματος είναι ένα δύσκολο ανοιχτό πρόβλημα στον κβαντικό υπολογισμό. Ο Goldschmidt λέει, «η πολυπλεξία πολλών από αυτές τις πηγές στο ίδιο τσιπ είναι μια πολύ σαφής πορεία προς τα εμπρός και σας επιτρέπει να εμπλέκετε περισσότερους βαθμούς ελευθερίας και να δημιουργήσετε πιο περίπλοκες εμπλεκόμενες καταστάσεις».

Περιέγραψαν τα αποτελέσματά τους στο Nature Photonics.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής