Entangled lyskilde er fullstendig on-chip

Par med sammenfiltrede fotoner er en nøkkelingrediens i fotoniske kvantedatamaskiner, kvantenøkkeldistribusjonssystemer og mange kvantenettverksdesign. Å produsere sammenfiltrede fotoner etter behov krever generelt store lasere og langvarige justeringsprosedyrer – og dette begrenser den kommersielle levedyktigheten til disse teknologiene. Nå har et team av forskere i Tyskland og Nederland brukt en ny arkitektur for å kombinere flere integrerte fotoniske teknologier til én enhet. Resultatet er en komplett sammenfiltret fotonkilde på en brikke som er omtrent på størrelse med en euromynt.

"Denne brikken er veldig enkel å bruke," sier teammedlem Raktim Haldar, som er postdoktor ved Leibniz University Hannover. "Du bare kobler den til og slår den på, og den kan generere kvantefotonene - du trenger ikke noe annet eller annen ekspertise." Han legger til at i fremtiden vil kilden kunne finnes i alle optiske kvanteprosessorer på samme måte som litium-ion-batterier finnes i alle elektroniske systemer i dag.

Fotoniske kvantebiter (qubits) er en av flere teknologier som konkurrerer om å bli grunnlaget for fremtidige kvantedatamaskiner. De tilbyr flere fordeler i forhold til andre typer qubits, inkludert de som er basert på superledende enheter og fangede atomer eller ioner. For eksempel trenger ikke fotoniske qubits å avkjøles til kryogene temperaturer, og de er mindre mottakelige for miljøstøy som kan ødelegge delikate kvantesystemer.

Vanskelig å vikle inn

På minussiden er fotoniske qubits mer utsatt for tap og de er mye vanskeligere å vikle sammen – sistnevnte er nødvendig for beregninger som involverer mer enn én qubit om gangen.

Integrert fotonikk, der fotoner er begrenset til å bevege seg i mikronbredde bølgeledere trykt på brikker, tilbyr en måte å forbedre lysbaserte kvantedatamaskiner

"Fotoniske kvantedatamaskiner har et stort problem med tap," sier Elizabeth Goldschmidt, en kvanteoptikkprofessor ved University of Illinois Urbana Champaign som ikke var involvert i å lage den nye kilden. "Fordi grensesnitt er spesielt tapsfulle, er det veldig viktig å gå på chip."

I sin siste forskning har Haldar og kolleger laget et fotonikksystem-på-en-brikke som genererer sammenfiltrede fotoner. Den består av tre hovedkomponenter: en laser; et filter som sikrer laserstabilitet ved et smalt frekvensbånd; og et ikke-lineært medium som genererer sammenfiltrede fotonpar. Mens lasere og kvantelyskilder som krever en ekstern laser har blitt laget på brikken før, har det vært en utfordring å sette begge på samme brikke. Dette er fordi materialene som brukes til lasering er forskjellige fra de som kreves for filtrering og generering av sammenfiltrede par, og produksjonsprosessene for de to materialene er generelt inkompatible.

Hybrid integrasjon

Teamet overvant denne inkompatibiliteten ved å bruke en teknikk kalt hybridintegrasjon. Forsterkningsmediet som ble brukt til lasering var laget av indiumfosfid, mens filtrerings- og fotongenereringskomponentene var laget av silisiumnitrid. For å holde de to sammen brukte teamet ekspertisen til Klaus Bollersin gruppe ved Universitetet i Twente. Bollers team er dyktige til å lime forskjellige brikker sammen med nok finesse til at de mikroskopiske lysledende komponentene er på linje og kobles så perfekt at knapt noe lys går tapt ved grensesnittet. For å unngå refleksjon ved grensesnittet, la de til et antireflekterende belegg og flislagt enden av indiumfosfidbølgelederen oppover fra brikken med 9°. Dette tillot dem å oppnå mindre enn 0.01 dB tap over grensesnittet.

Gjenopplivet fotonsammenfiltring kan forbedre kvantekommunikasjon og bildebehandling   

For å hjelpe til med sømløs integrasjon av alle komponentene, valgte teamet et design der laserforsterkningsmediet, filteret og foton-pargenereringsbølgelederne alle er inneholdt i laserhulrommet. "De kom opp med dette smarte opplegget for å integrere både filtreringen og parproduksjonen i de samme silisiumnitridringene, og laseren på samme brikke, noe som er veldig kult," forklarer Goldschmidt.

Å konstruere hele mekanismen inne i laserhulen var ingen enkel sak. Spesielt filteret de brukte hadde ikke blitt tilpasset for kvantelysformål, og de jobbet hardt for å tilpasse det. "Tapet må være lik den totale gevinsten for å opprettholde laseraksjonen," sier Haldar, "og det er en veldig vanskelig teknisk utfordring. Hvis et gap mellom to bølgeledere er for eksempel 200 nm, kan det å endre det til bare 180 nm gjøre at hele brikken ikke fungerer."

Brikken skaper par med frekvenssammenfiltrede fotoner med 99 % troskap omtrent 1000 ganger per sekund. Teamet jobber nå for å utvide de fotoniske evnene på brikken til å inkludere etableringen av multifoton-klyngetilstander. Dette er tilstander som omfatter flere sammenfiltrede fotoner som kan brukes som effektive qubits som er mindre utsatt for tap. Å skape effektive klyngetilstander er et vanskelig åpent problem innen kvanteberegning. Goldschmidt sier, "multipleksing av flere av disse kildene på samme brikke er en veldig klar vei fremover og lar deg vikle flere frihetsgrader og bygge opp mer kompliserte sammenfiltrede tilstander".

De beskrev resultatene sine i Nature Photonics.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/entangled-light-source-is-fully-on-chip/