แหล่งกำเนิดแสงที่พันกันอยู่บนชิปอย่างสมบูรณ์

แหล่งกำเนิดแสงที่พันกันอยู่บนชิปอย่างสมบูรณ์

ประทับเวลา: 3 พฤษภาคม 2023 10:47 น

สิ่งกีดขวางหลายโฟตอน
การสร้างคลัสเตอร์: การแสดงผลทางศิลปะของรัฐที่มีโฟตอนที่พันกันยุ่งเหยิง (เอื้อเฟื้อ: iStock/agsandrew)

โฟตอนที่พันกันเป็นคู่เป็นส่วนประกอบสำคัญของโทนิคควอนตัมคอมพิวเตอร์ ระบบกระจายคีย์ควอนตัม และการออกแบบเครือข่ายควอนตัมจำนวนมาก โดยทั่วไปแล้วการผลิตโฟตอนที่พันกันยุ่งเหยิงต้องใช้เลเซอร์ขนาดใหญ่และขั้นตอนการจัดตำแหน่งที่ใช้เวลานาน และสิ่งนี้จำกัดความสามารถเชิงพาณิชย์ของเทคโนโลยีเหล่านี้ ขณะนี้ ทีมนักวิจัยในเยอรมนีและเนเธอร์แลนด์ได้ใช้สถาปัตยกรรมใหม่เพื่อรวมเทคโนโลยีโฟโตนิกแบบบูรณาการหลายอย่างไว้ในอุปกรณ์เดียว ผลที่ได้คือแหล่งกำเนิดโฟตอนที่พันกันยุ่งเหยิงอย่างสมบูรณ์บนชิปที่มีขนาดเท่ากับเหรียญยูโรหนึ่งเหรียญ

“ชิปนี้ใช้งานง่ายมาก” สมาชิกในทีมกล่าว รักทิม ฮัลดาร์ซึ่งเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Leibniz University Hannover “คุณเพียงแค่เสียบปลั๊กและเปิดเครื่อง ก็จะสามารถสร้างควอนตัมโฟตอนได้ คุณไม่จำเป็นต้องใช้สิ่งอื่นใดหรือความเชี่ยวชาญอื่นใด” เขาเสริมว่าในอนาคต แหล่งที่มาสามารถพบได้ในโปรเซสเซอร์ควอนตัมออปติคัลทุกตัว ในลักษณะเดียวกับที่พบในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในระบบอิเล็กทรอนิกส์ทุกระบบในปัจจุบัน

โทนิคควอนตัมบิต (qubits) เป็นหนึ่งในหลายเทคโนโลยีที่กำลังแข่งขันกันเพื่อเป็นพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต พวกเขามีข้อดีหลายประการเหนือคิวบิตประเภทอื่นๆ รวมถึงอุปกรณ์ที่มีตัวนำยิ่งยวดและอะตอมหรือไอออนที่ติดอยู่ ตัวอย่างเช่น คิวบิตโฟโตนิกไม่จำเป็นต้องถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิแช่แข็ง และพวกมันไวต่อเสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าที่สามารถทำลายระบบควอนตัมที่บอบบางได้

ยากที่จะเข้าไปพัวพัน

ในทางลบ โทนิคควิบิตมีความอ่อนไหวต่อการสูญเสียมากกว่า และยากต่อการเข้าไปยุ่งเกี่ยว ซึ่งสิ่งหลังจำเป็นสำหรับการคำนวณที่เกี่ยวข้องกับควิบิตมากกว่าหนึ่งควิบิตต่อครั้ง

โฟตอนแบบรวมซึ่งโฟตอนถูกจำกัดให้เดินทางในท่อนำคลื่นขนาดความกว้างไมครอนที่พิมพ์บนชิป นำเสนอวิธีการปรับปรุงคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้แสง

“โทนิคควอนตัมคอมพิวเตอร์มีปัญหาใหญ่เกี่ยวกับการสูญเสีย” กล่าว เอลิซาเบธ โกลด์ชมิดท์ศาสตราจารย์ด้านทัศนศาสตร์ควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา แชมเพน ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการสร้างแหล่งข้อมูลใหม่ “เนื่องจากอินเทอร์เฟซสูญเสียเป็นพิเศษ การทำงานบนชิปจึงสำคัญมาก”

ในการวิจัยล่าสุดของพวกเขา Haldar และเพื่อนร่วมงานได้สร้างระบบโฟโตนิกส์บนชิปที่สร้างโฟตอนที่พันกัน ประกอบด้วยสามองค์ประกอบหลัก: เลเซอร์; ตัวกรองที่รับประกันความเสถียรของเลเซอร์ที่ย่านความถี่แคบ และตัวกลางที่ไม่เชิงเส้นสร้างคู่โฟตอนที่พันกัน แม้ว่าเลเซอร์และแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมที่ต้องใช้เลเซอร์ภายนอกจะถูกสร้างขึ้นบนชิปมาก่อน การวางทั้งสองอย่างบนชิปเดียวกันก็เป็นเรื่องที่ท้าทาย นี่เป็นเพราะวัสดุที่ใช้สำหรับการสลักแตกต่างจากวัสดุที่จำเป็นสำหรับการกรองและการสร้างคู่ที่พันกัน และโดยทั่วไปแล้วกระบวนการผลิตสำหรับวัสดุทั้งสองมักจะเข้ากันไม่ได้

การรวมแบบไฮบริด

ทีมงานเอาชนะความไม่ลงรอยกันนี้โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการผสานรวมแบบไฮบริด สื่ออัตราขยายที่ใช้สำหรับการติดทำจากอินเดียมฟอสไฟด์ ในขณะที่ส่วนประกอบการกรองและการสร้างโฟตอนทำจากซิลิคอนไนไตรด์ ทีมงานใช้ความเชี่ยวชาญของ เคลาส์ โบลเลอร์กลุ่มของ University of Twente ทีมงานของ Boller เชี่ยวชาญในการติดชิปต่างๆ ร่วมกับกลเม็ดเด็ดพรายมากพอที่ส่วนประกอบนำแสงระดับจุลภาคจะเรียงตัวและเชื่อมต่อได้อย่างสมบูรณ์แบบจนแทบไม่มีแสงหลงเหลือที่ส่วนต่อประสาน เพื่อหลีกเลี่ยงการสะท้อนที่อินเทอร์เฟซ พวกเขาเพิ่มการเคลือบป้องกันแสงสะท้อนและปูกระเบื้องส่วนปลายของท่อนำคลื่นอินเดียมฟอสไฟด์ให้สูงขึ้นจากชิป 9° สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสูญเสียน้อยกว่า 0.01 dB ทั่วทั้งอินเทอร์เฟซ

เพื่อช่วยในการรวมส่วนประกอบทั้งหมดเข้าด้วยกันอย่างราบรื่น ทีมงานได้เลือกการออกแบบที่ตัวกลางรับแสงเลเซอร์ ตัวกรอง และท่อนำคลื่นการสร้างคู่โฟตอนทั้งหมดอยู่ภายในช่องใส่เลเซอร์ Goldschmidt อธิบายว่า “พวกเขาคิดแผนการอันชาญฉลาดนี้ขึ้นมาเพื่อรวมการกรองและการผลิตแบบคู่ไว้ในวงแหวนซิลิกอนไนไตรด์เดียวกัน และเลเซอร์บนชิปตัวเดียวกัน ซึ่งเจ๋งมาก” Goldschmidt อธิบาย

วิศวกรรมกลไกทั้งหมดภายในโพรงเลเซอร์นั้นไม่ใช่เรื่องง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตัวกรองที่พวกเขาใช้ไม่ได้ถูกดัดแปลงให้เหมาะกับจุดประสงค์ของแสงควอนตัม และพวกเขาทำงานอย่างหนักเพื่อดัดแปลงมัน “การสูญเสียจะต้องเท่ากับกำไรทั้งหมดเพื่อรักษาการทำงานของเลเซอร์” Haldar กล่าว “และนั่นเป็นความท้าทายทางเทคนิคที่ยากมาก หากช่องว่างระหว่างท่อนำคลื่นสองเส้นคือ 200 นาโนเมตร การเปลี่ยนให้เหลือเพียง 180 นาโนเมตรอาจทำให้ชิปทั้งหมดไม่ทำงาน”

ชิปสร้างคู่ของโฟตอนที่มีความเที่ยงตรง 99% ประมาณ 1000 ครั้งต่อวินาที ขณะนี้ทีมงานกำลังทำงานเพื่อขยายความสามารถโทนิคบนชิปเพื่อรวมการสร้างสถานะคลัสเตอร์หลายโฟตอน สถานะเหล่านี้ประกอบด้วยโฟตอนที่พันกันหลายตัวที่สามารถใช้เป็นคิวบิตที่มีประสิทธิภาพซึ่งไวต่อการสูญเสียน้อยกว่า การสร้างสถานะคลัสเตอร์ที่มีประสิทธิภาพเป็นปัญหาแบบเปิดที่ยากในควอนตัมคอมพิวติ้ง Goldschmidt กล่าวว่า "การมัลติเพล็กซ์ของแหล่งที่มาเหล่านี้บนชิปตัวเดียวกันเป็นเส้นทางที่ชัดเจนมากและช่วยให้คุณพัวพันกับระดับอิสระมากขึ้นและสร้างสถานะที่ซับซ้อนมากขึ้น"

พวกเขาอธิบายผลลัพธ์ของพวกเขาใน Photonics ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์

นักฟิสิกส์วิ่งข้ามสหรัฐอเมริกาด้วยเวลาอันรวดเร็ว กระเป๋าเครื่องมือของ NASA เข้าร่วมกับสาขาขยะอวกาศที่กำลังเติบโต – Physics World

คลัสเตอร์ต้นทาง:
โหนดต้นทาง: 1914589
ประทับเวลา: พฤศจิกายน 17, 2023