Zapleteni svetlobni vir je v celoti vgrajen v čip

Pari zapletenih fotonov so ključna sestavina fotonskih kvantnih računalnikov, kvantnih sistemov za distribucijo ključev in številnih kvantnih omrežnih modelov. Izdelava zapletenih fotonov na zahtevo na splošno zahteva obsežne laserje in dolgotrajne postopke poravnave – to pa omejuje komercialno sposobnost preživetja teh tehnologij. Zdaj je skupina raziskovalcev v Nemčiji in na Nizozemskem uporabila novo arhitekturo za združevanje več integriranih fotonskih tehnologij v eno napravo. Rezultat je popoln zapleten vir fotonov na čipu, ki je velik približno kot kovanec za en evro.

»Ta čip je zelo enostaven za uporabo,« pravi član ekipe Raktim Haldar, ki je podoktorski raziskovalec na univerzi Leibniz v Hannovru. "Samo priključite ga in vklopite in lahko ustvari kvantne fotone - ne potrebujete ničesar drugega ali drugega strokovnega znanja." Dodaja, da bi v prihodnosti vir lahko našli v vsakem optičnem kvantnem procesorju na enak način, kot so litij-ionske baterije danes v vsakem elektronskem sistemu.

Fotonski kvantni biti (qubits) so ena od številnih tehnologij, ki tekmujejo, da bodo postale osnova prihodnjih kvantnih računalnikov. Ponujajo številne prednosti pred drugimi vrstami kubitov, vključno s tistimi, ki temeljijo na superprevodnih napravah in ujetih atomih ali ionih. Na primer, fotonskih kubitov ni treba ohladiti na kriogene temperature in so manj dovzetni za okoljski hrup, ki lahko uniči občutljive kvantne sisteme.

Težko zapletanje

Slaba stran je, da so fotonski kubiti bolj dovzetni za izgube in jih je veliko težje zaplesti – slednje je potrebno za izračune, ki vključujejo več kot en kubit hkrati.

Integrirana fotonika, v kateri so fotoni omejeni na potovanje v valovodih mikronske širine, natisnjenih na čipih, ponuja način za izboljšanje kvantnih računalnikov, ki temeljijo na svetlobi.

"Fotonski kvantni računalniki imajo velik problem z izgubo," pravi Elizabeth Goldschmidt, profesor kvantne optike na Univerzi Illinois Urbana Champaign, ki ni sodeloval pri ustvarjanju novega vira. "Ker so vmesniki še posebej izgubljeni, je povezovanje na čip zelo pomembno."

V svoji najnovejši raziskavi so Haldar in njegovi sodelavci ustvarili fotonski sistem na čipu, ki ustvarja zapletene fotone. Sestavljen je iz treh glavnih komponent: laserja; filter, ki zagotavlja stabilnost laserja v ozkem frekvenčnem pasu; in nelinearni medij, ki ustvarja zapletene fotonske pare. Medtem ko so bili laserji in kvantni svetlobni viri, ki zahtevajo zunanji laser, ustvarjeni na čipu že prej, je bila namestitev obojega na isti čip izziv. To je zato, ker se materiali, ki se uporabljajo za lasersko generiranje, razlikujejo od tistih, ki so potrebni za filtriranje in generiranje zapletenih parov, proizvodni procesi za oba materiala pa so na splošno nezdružljivi.

Hibridna integracija

Ekipa je to nezdružljivost premagala s tehniko, imenovano hibridna integracija. Ojačevalni medij, ki je bil uporabljen za laser, je bil narejen iz indijevega fosfida, medtem ko so bile komponente za filtriranje in generiranje fotonov izdelane iz silicijevega nitrida. Da bi to dvoje združili, je ekipa uporabila strokovno znanje Klaus Bollerskupine na Univerzi Twente. Bollerjeva ekipa je spretna pri lepljenju različnih čipov skupaj z dovolj finosti, da se mikroskopske komponente za vodenje svetlobe poravnajo in povežejo tako popolno, da se na vmesniku izgubi komaj kaj svetlobe. Da bi se izognili odboju na vmesniku, so dodali antirefleksno prevleko in konec valovoda iz indijevega fosfida postavili navzgor od čipa za 9°. To jim je omogočilo, da so dosegli manj kot 0.01 dB izgube na vmesniku.

Ponovno oživljeno zapletanje fotonov bi lahko izboljšalo kvantno komunikacijo in slikanje   

Za pomoč pri brezhibni integraciji vseh komponent je ekipa izbrala zasnovo, v kateri so medij za lasersko ojačenje, filter in valovod za generiranje fotonskih parov vsebovani v laserski votlini. »Omislili so si to pametno shemo za integracijo filtriranja in proizvodnje parov v iste obroče iz silicijevega nitrida in laser na istem čipu, kar je zelo kul,« pojasnjuje Goldschmidt.

Načrtovanje celotnega mehanizma znotraj laserske votline ni bilo enostavno. Zlasti filter, ki so ga uporabili, ni bil prilagojen za namene kvantne svetlobe, zato so trdo delali, da bi ga prilagodili. »Izguba mora biti enaka skupnemu dobičku, da se ohrani delovanje laserja,« pravi Haldar, »in to je zelo težek tehnični izziv. Če je vrzel med dvema valovodoma recimo 200 nm, lahko sprememba na samo 180 nm povzroči, da celoten čip ne bo deloval.«

Čip ustvari pare frekvenčno zapletenih fotonov z 99-odstotno natančnostjo približno 1000-krat na sekundo. Ekipa si zdaj prizadeva razširiti fotonske zmogljivosti na čipu, da bi vključevala ustvarjanje stanj večfotonskih grozdov. To so stanja, ki obsegajo več zapletenih fotonov, ki bi jih lahko uporabili kot učinkovite kubite, ki so manj dovzetni za izgube. Ustvarjanje učinkovitih stanj grozdov je težaven odprt problem kvantnega računalništva. Goldschmidt pravi, da je "multipleksiranje več teh virov na istem čipu zelo jasna pot naprej in vam omogoča zapletanje več stopenj svobode in ustvarjanje bolj zapletenih zapletenih stanj".

Svoje rezultate so opisali v Narava fotonika.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/entangled-light-source-is-fully-on-chip/