Sursa de lumină încurcată este complet pe cip

Perechile de fotoni încâlciți sunt un ingredient cheie al computerelor cuantice fotonice, al sistemelor de distribuție a cheilor cuantice și al multor modele de rețele cuantice. Producerea de fotoni încâlciți la cerere necesită, în general, lasere voluminoase și proceduri de aliniere prelungite – iar acest lucru limitează viabilitatea comercială a acestor tehnologii. Acum, o echipă de cercetători din Germania și Țările de Jos a folosit o nouă arhitectură pentru a combina mai multe tehnologii fotonice integrate într-un singur dispozitiv. Rezultatul este o sursă completă de fotoni încâlciți pe un cip care are aproximativ dimensiunea unei monede de un euro.

„Acest cip este foarte ușor de utilizat”, spune membrul echipei Raktim Haldar, care este cercetător postdoctoral la Universitatea Leibniz din Hanovra. „Îl conectezi și îl pornești și poate genera fotoni cuantici – nu ai nevoie de nimic altceva sau de altă expertiză.” El adaugă că, în viitor, sursa ar putea fi găsită în fiecare procesor cuantic optic, în același mod în care bateriile litiu-ion se găsesc în fiecare sistem electronic de astăzi.

Biții cuantici fotonici (qubiți) sunt una dintre numeroasele tehnologii care concurează pentru a deveni baza viitoarelor calculatoare cuantice. Ele oferă mai multe avantaje față de alte tipuri de qubiți, inclusiv cei bazați pe dispozitive supraconductoare și atomi sau ioni prinși. De exemplu, qubiții fotonici nu trebuie să fie răciți la temperaturi criogenice și sunt mai puțin sensibili la zgomotul ambiental care poate distruge sisteme cuantice delicate.

Greu de încurcat

În dezavantaj, qubiții fotonici sunt mai susceptibili la pierderi și sunt mult mai greu de încurcat - cei din urmă fiind necesari pentru calcule care implică mai mult de un qubit la un moment dat.

Fotonica integrată, în care fotonii sunt limitați să călătorească în ghiduri de undă cu lățime de microni imprimate pe cipuri, oferă o modalitate de a îmbunătăți calculatoarele cuantice bazate pe lumină

„Calculatoarele cuantice fotonice au o mare problemă cu pierderea”, spune Elizabeth Goldschmidt, un profesor de optică cuantică la Universitatea din Illinois Urbana Champaign care nu a fost implicat în crearea noii surse. „Deoarece interfețele sunt deosebit de cu pierderi, accesul pe cip este foarte important.”

În cele mai recente cercetări, Haldar și colegii săi au creat un sistem fotonic pe un cip care generează fotoni încâlciți. Este format din trei componente principale: un laser; un filtru care asigură stabilitatea laserului la o bandă de frecvență îngustă; și un mediu neliniar care generează perechi de fotoni încâlciți. În timp ce laserele și sursele de lumină cuantică care necesită un laser extern au fost create anterior pe cip, punerea ambelor pe același cip a fost o provocare. Acest lucru se datorează faptului că materialele utilizate pentru laser sunt diferite de cele necesare pentru filtrare și generarea de perechi încurcate, iar procesele de fabricație pentru cele două materiale sunt în general incompatibile.

Integrare hibridă

Echipa a depășit această incompatibilitate folosind o tehnică numită integrare hibridă. Mediul de câștig folosit pentru laser a fost realizat din fosfură de indiu, în timp ce componentele de filtrare și generarea de fotoni au fost realizate din nitrură de siliciu. Pentru a le uni pe cei doi, echipa a folosit expertiza lui Klaus Bollergrupul lui de la Universitatea din Twente. Echipa lui Boller este pricepută la lipirea diferitelor cipuri împreună cu suficientă finețe încât componentele microscopice de ghidare a luminii să se alinieze și să se conecteze atât de perfect, încât abia se pierde lumină la interfață. Pentru a evita reflexia la interfață, au adăugat un strat anti-reflectare și au plasat capătul ghidului de undă cu fosfură de indiu în sus de cip cu 9°. Acest lucru le-a permis să obțină o pierdere mai mică de 0.01 dB pe interfață.

Încrucișarea fotonului reînviat ar putea îmbunătăți comunicarea cuantică și imagistica   

Pentru a ajuta la integrarea perfectă a tuturor componentelor, echipa a ales un design în care mediul de câștig laser, filtrul și ghidurile de undă pentru generarea perechilor de fotoni sunt toate conținute în cavitatea laserului. „Au venit cu această schemă inteligentă de a integra atât filtrarea, cât și producția de perechi în aceleași inele de nitrură de siliciu și laserul pe același cip, ceea ce este foarte tare”, explică Goldschmidt.

Proiectarea întregului mecanism din interiorul cavității laser nu a fost o chestiune ușoară. În special, filtrul pe care l-au folosit nu fusese adaptat pentru scopuri de lumină cuantică și au muncit din greu pentru a-l adapta. „Pierderea trebuie să fie egală cu câștigul total pentru a menține acțiunea laserului”, spune Haldar, „și aceasta este o provocare tehnică foarte dificilă. Dacă un spațiu între două ghiduri de undă este, să zicem, 200 nm, schimbarea lui la doar 180 nm poate face ca întregul cip să nu funcționeze.”

Cipul creează perechi de fotoni încurcați în frecvență cu o fidelitate de 99% de aproximativ 1000 de ori pe secundă. Echipa lucrează acum la extinderea capacităților fotonice pe cip pentru a include crearea stărilor cluster multifotoni. Acestea sunt stări care cuprind mai mulți fotoni încâlciți care ar putea fi utilizați ca qubiți eficienți care sunt mai puțin susceptibili la pierderi. Crearea de stări eficiente de cluster este o problemă deschisă dificilă în calculul cuantic. Goldschmidt spune că „multiplexarea mai multor dintre aceste surse pe același cip este o cale foarte clară înainte și vă permite să încurcați mai multe grade de libertate și să construiți stări încurcate mai complicate”.

Ei și-au descris rezultatele în Natura Photonics.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Mintând viitorul cu Adryenn Ashley. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/entangled-light-source-is-fully-on-chip/