Splątane źródło światła jest w pełni na chipie

Pary splątanych fotonów są kluczowym składnikiem fotonicznych komputerów kwantowych, kwantowych systemów dystrybucji klucza i wielu projektów sieci kwantowych. Wytwarzanie splątanych fotonów na żądanie zazwyczaj wymaga nieporęcznych laserów i długotrwałych procedur ustawiania, a to ogranicza komercyjną opłacalność tych technologii. Teraz zespół naukowców z Niemiec i Holandii wykorzystał nową architekturę do połączenia kilku zintegrowanych technologii fotonicznych w jednym urządzeniu. Rezultatem jest kompletne źródło splątanych fotonów na chipie o wielkości mniej więcej jednej monety euro.

„Ten chip jest bardzo łatwy w użyciu”, mówi członek zespołu Raktima Haldara, który jest pracownikiem naukowym podoktoranckim na Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze. „Po prostu podłączasz i włączasz, a może generować fotony kwantowe – nie potrzebujesz niczego innego ani żadnej innej wiedzy”. Dodaje, że w przyszłości źródło można by znaleźć w każdym optycznym procesorze kwantowym, tak jak obecnie akumulatory litowo-jonowe znajdują się w każdym systemie elektronicznym.

Fotoniczne bity kwantowe (kubity) to jedna z kilku technologii, które rywalizują o to, by stać się podstawą przyszłych komputerów kwantowych. Oferują kilka zalet w porównaniu z innymi typami kubitów, w tym kubitami opartymi na urządzeniach nadprzewodzących i uwięzionych atomach lub jonach. Na przykład kubity fotoniczne nie muszą być schładzane do temperatur kriogenicznych i są mniej podatne na hałas środowiskowy, który może zniszczyć delikatne układy kwantowe.

Trudne do zaplątania

Z drugiej strony kubity fotoniczne są bardziej podatne na straty i znacznie trudniej je splątać – to ostatnie jest niezbędne do obliczeń obejmujących więcej niż jeden kubit na raz.

Zintegrowana fotonika, w której fotony są ograniczone do przemieszczania się w falowodach o szerokości mikrona wydrukowanych na chipach, oferuje sposób na ulepszenie komputerów kwantowych opartych na świetle

„Fotoniczne komputery kwantowe mają duży problem ze stratami”, mówi Elżbieta Goldschmidt, profesor optyki kwantowej na University of Illinois Urbana Champaign, który nie był zaangażowany w tworzenie nowego źródła. „Ponieważ interfejsy są szczególnie stratne, włączenie chipa jest bardzo ważne”.

W swoich ostatnich badaniach Haldar i współpracownicy stworzyli system fotoniczny na chipie, który generuje splątane fotony. Składa się z trzech głównych elementów: lasera; filtr zapewniający stabilność lasera w wąskim paśmie częstotliwości; oraz ośrodek nieliniowy generujący splątane pary fotonów. Podczas gdy lasery i kwantowe źródła światła wymagające zewnętrznego lasera były już wcześniej tworzone na chipie, umieszczenie obu na tym samym chipie było wyzwaniem. Wynika to z faktu, że materiały używane do obróbki laserowej różnią się od materiałów wymaganych do filtrowania i generowania splątanych par, a procesy produkcyjne tych dwóch materiałów są generalnie niekompatybilne.

Integracja hybrydowa

Zespół przezwyciężył tę niezgodność, stosując technikę zwaną integracją hybrydową. Medium wzmacniające użyte do laserowania wykonano z fosforku indu, natomiast komponenty filtrujące i generujące fotony wykonano z azotku krzemu. Aby połączyć te dwa elementy, zespół wykorzystał wiedzę specjalistyczną Klausa Bolleragrupy na Uniwersytecie Twente. Zespół Bollera jest biegły w sklejaniu ze sobą różnych chipów z wystarczającą finezją, aby mikroskopijne elementy prowadzące światło ustawiały się w jednej linii i łączyły tak doskonale, że prawie nie traci się światła na interfejsie. Aby uniknąć odbić na interfejsie, dodali powłokę przeciwodblaskową i umieścili koniec falowodu z fosforku indu w górę o 9°. To pozwoliło im osiągnąć mniej niż 0.01 dB tłumienia na całym interfejsie.

Ożywione splątanie fotonów może usprawnić komunikację i obrazowanie kwantowe   

Aby pomóc w bezproblemowej integracji wszystkich komponentów, zespół wybrał projekt, w którym ośrodek wzmocnienia lasera, filtr i falowody generowania par fotonów znajdują się we wnęce lasera. „Wymyślili ten sprytny schemat integracji zarówno filtrowania, jak i produkcji par w tych samych pierścieniach z azotku krzemu i lasera na tym samym chipie, co jest bardzo fajne” — wyjaśnia Goldschmidt.

Zaprojektowanie całego mechanizmu wewnątrz wnęki lasera nie było łatwą sprawą. W szczególności filtr, którego użyli, nie został przystosowany do celów światła kwantowego i ciężko pracowali, aby go dostosować. „Strata musi być równa całkowitemu zyskowi, aby utrzymać działanie lasera”, mówi Haldar, „a to jest bardzo trudne wyzwanie techniczne. Jeśli przerwa między dwoma falowodami wynosi, powiedzmy, 200 nm, zmiana jej na zaledwie 180 nm może sprawić, że cały chip przestanie działać”.

Chip tworzy pary splątanych częstotliwościowo fotonów z 99% dokładnością około 1000 razy na sekundę. Zespół pracuje obecnie nad rozszerzeniem możliwości fotonicznych na chipie, tak aby obejmowały one tworzenie wielofotonowych stanów klastrów. Są to stany składające się z wielu splątanych fotonów, które można wykorzystać jako efektywne kubity, mniej podatne na straty. Tworzenie efektywnych stanów klastrów jest trudnym otwartym problemem w obliczeniach kwantowych. Goldschmidt mówi: „multipleksowanie kilku z tych źródeł na tym samym chipie to bardzo wyraźna ścieżka naprzód i pozwala splątać więcej stopni swobody i zbudować bardziej skomplikowane stany splątane”.

Swoje wyniki opisali m.in Nature Photonics.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/entangled-light-source-is-fully-on-chip/