Entangled ljuskälla är helt on-chip

Entangled ljuskälla är helt on-chip

Tidsstämpel: 3 maj 2023 10:47

Multiphoton intrassling
Skapande av kluster: konstnärligt intryck av ett tillstånd som innehåller flera intrasslade fotoner. (Med tillstånd: iStock/agsandrew)

Par av intrasslade fotoner är en nyckelingrediens i fotoniska kvantdatorer, kvantnyckeldistributionssystem och många kvantnätverksdesigner. Att producera intrasslade fotoner på begäran kräver i allmänhet skrymmande lasrar och långvariga inriktningsprocedurer – och detta begränsar den kommersiella livskraften för dessa teknologier. Nu har ett team av forskare i Tyskland och Nederländerna använt en ny arkitektur för att kombinera flera integrerade fotoniska teknologier till en enhet. Resultatet är en komplett intrasslad fotonkälla på ett chip som är ungefär lika stort som ett euromynt.

"Detta chip är väldigt lätt att använda", säger teammedlem Raktim Haldar, som är postdoktor vid Leibniz University Hannover. "Du kopplar bara in den och slår på den, och den kan generera kvantfotoner – du behöver inte något annat eller någon annan expertis." Han tillägger att källan i framtiden skulle kunna hittas i varje optisk kvantprocessor på samma sätt som litiumjonbatterier finns i alla elektroniska system idag.

Fotoniska kvantbitar (qubits) är en av flera tekniker som tävlar om att bli grunden för framtida kvantdatorer. De erbjuder flera fördelar jämfört med andra typer av qubits inklusive de baserade på supraledande enheter och fångade atomer eller joner. Till exempel behöver fotoniska qubits inte kylas till kryogena temperaturer, och de är mindre mottagliga för miljöbrus som kan förstöra känsliga kvantsystem.

Svårt att trassla in

På nackdelen är fotoniska qubits mer mottagliga för förluster och de är mycket svårare att trassla in – det senare är nödvändigt för beräkningar som involverar mer än en qubit åt gången.

Integrerad fotonik, där fotoner är begränsade till att resa i mikronbredda vågledare tryckta på chips, erbjuder ett sätt att förbättra ljusbaserade kvantdatorer

"Fotoniska kvantdatorer har ett stort problem med förlust", säger Elizabeth Goldschmidt, en kvantoptikprofessor vid University of Illinois Urbana Champaign som inte var involverad i att skapa den nya källan. "Eftersom gränssnitt är särskilt förlustbringande är det mycket viktigt att gå på chip."

I sin senaste forskning har Haldar och kollegor skapat ett fotoniksystem-på-ett-chip som genererar intrasslade fotoner. Den består av tre huvudkomponenter: en laser; ett filter som säkerställer laserstabilitet vid ett smalt frekvensband; och ett icke-linjärt medium som genererar intrasslade fotonpar. Medan lasrar och kvantljuskällor som kräver en extern laser har skapats på chipet tidigare, har det varit en utmaning att placera båda på samma chip. Detta beror på att materialen som används för lasring skiljer sig från de som krävs för filtrering och generering av intrasslade par, och tillverkningsprocesserna för de två materialen är i allmänhet inkompatibla.

Hybrid integration

Teamet övervann denna inkompatibilitet med en teknik som kallas hybridintegration. Förstärkningsmediet som användes för lasring var tillverkat av indiumfosfid, medan filtrerings- och fotongenereringskomponenterna var gjorda av kiselnitrid. För att hålla ihop de två använde teamet expertis Klaus Bollers grupp vid universitetet i Twente. Bollers team är skickliga på att limma ihop olika chips med tillräckligt med finess för att de mikroskopiska ljusledande komponenterna räcker ihop och ansluter så perfekt att knappt något ljus går förlorat vid gränssnittet. För att undvika reflektion vid gränssnittet lade de till en antireflekterande beläggning och lagda änden av indiumfosfidvågledaren uppåt från chippet med 9°. Detta gjorde det möjligt för dem att uppnå mindre än 0.01 dB förlust över gränssnittet.

För att hjälpa till med den sömlösa integrationen av alla komponenter, valde teamet en design där laserförstärkningsmediet, filtret och fotonpargenererande vågledare alla finns inne i lasrhåligheten. "De kom på det här smarta schemat för att integrera både filtreringen och parproduktionen i samma kiselnitridringar och lasern på samma chip, vilket är väldigt coolt," förklarar Goldschmidt.

Att konstruera hela mekanismen inuti laserkaviteten var ingen lätt sak. I synnerhet hade filtret de använde inte anpassats för kvantljusändamål, och de arbetade hårt för att anpassa det. "Förlusten måste vara lika med den totala vinsten för att upprätthålla laserverkan", säger Haldar, "och det är en mycket svår teknisk utmaning. Om ett gap mellan två vågledare är, säg, 200 nm, kan en förändring av det till bara 180 nm göra att hela chippet inte fungerar."

Chipet skapar par av frekvensintrasslade fotoner med 99 % trohet cirka 1000 gånger per sekund. Teamet arbetar nu för att utöka de fotoniska funktionerna på chipet till att inkludera skapandet av multifotonklustertillstånd. Dessa är tillstånd som består av flera intrasslade fotoner som skulle kunna användas som effektiva qubits som är mindre mottagliga för förluster. Att skapa effektiva klustertillstånd är ett svårt öppet problem inom kvantberäkning. Goldschmidt säger, "att multiplexera flera av dessa källor på samma chip är en mycket tydlig väg framåt och låter dig trassla in fler frihetsgrader och bygga upp mer komplicerade intrasslade tillstånd".

De beskrev sina resultat i Naturfotonik.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden