Заплутане джерело світла повністю вбудоване в кристал

Пари заплутаних фотонів є ключовим компонентом фотонних квантових комп’ютерів, квантових систем розподілу ключів і багатьох проектів квантових мереж. Виробництво заплутаних фотонів на вимогу зазвичай потребує громіздких лазерів і тривалих процедур вирівнювання – і це обмежує комерційну життєздатність цих технологій. Тепер команда дослідників із Німеччини та Нідерландів використала нову архітектуру для об’єднання кількох інтегрованих фотонних технологій в один пристрій. Результатом є повне заплутане джерело фотонів на чіпі розміром приблизно з монету в один євро.

«Ця мікросхема дуже проста у використанні, — каже член команди Рактім Халдар, яка є докторантом Ганноверського університету імені Лейбніца. «Ви просто підключите його та ввімкнете, і він зможе генерувати квантові фотони — вам не потрібно нічого іншого чи будь-яких інших знань». Він додає, що в майбутньому джерело можна буде знайти в кожному оптичному квантовому процесорі так само, як сьогодні літій-іонні батареї є в кожній електронній системі.

Фотонні квантові біти (кубіти) є однією з кількох технологій, які змагаються за те, щоб стати основою майбутніх квантових комп’ютерів. Вони пропонують кілька переваг перед іншими типами кубітів, включаючи ті, що базуються на надпровідних пристроях і захоплених атомах або іонах. Наприклад, фотонним кубітам не потрібно охолоджувати до кріогенних температур, і вони менш сприйнятливі до шуму навколишнього середовища, який може зруйнувати делікатні квантові системи.

Важко заплутатися

З іншого боку, фотонні кубіти більш сприйнятливі до втрат, і їх набагато складніше заплутати – останнє необхідно для обчислень, які включають більше одного кубіта одночасно.

Інтегрована фотоніка, в якій фотони обмежені для подорожі в хвилеводах мікронної ширини, надрукованих на чіпах, пропонує спосіб покращити світлові квантові комп’ютери

«Фотонні квантові комп’ютери мають велику проблему з втратами», — каже Елізабет Гольдшмідт, професор квантової оптики в Університеті Іллінойсу Урбана Шампейн, який не брав участі у створенні нового джерела. «Оскільки інтерфейси особливо втрачають, перехід на чіп дуже важливий».

У своєму останньому дослідженні Халдар і його колеги створили фотонічну систему-на-чіпі, яка генерує заплутані фотони. Він складається з трьох основних компонентів: лазера; фільтр, що забезпечує стабільність лазера у вузькій смузі частот; і нелінійне середовище, що генерує заплутані пари фотонів. Хоча лазери та квантові джерела світла, для яких потрібен зовнішній лазер, створювали на чіпі раніше, розмістити їх на одному чіпі було складно. Це пояснюється тим, що матеріали, які використовуються для лазерної генерації, відрізняються від матеріалів, необхідних для фільтрації та генерації заплутаних пар, а виробничі процеси для цих двох матеріалів, як правило, несумісні.

Гібридна інтеграція

Команда подолала цю несумісність за допомогою техніки під назвою гібридна інтеграція. Середовище підсилення, яке використовувалося для генерації, було виготовлено з фосфіду індію, а компоненти фільтрації та генерації фотонів — з нітриду кремнію. Щоб об’єднати ці два аспекти, команда використала досвід Клаус Боллергрупи в Університеті Твенте. Команда Боллера вміє склеювати різні мікросхеми з достатньою тонкістю, щоб мікроскопічні світловодні компоненти вишикувались і з’єднувалися настільки ідеально, що майже не втрачається світло на інтерфейсі. Щоб уникнути відбиття на межі розділу, вони додали антивідблискуюче покриття та відвернули кінець хвилеводу з фосфіду індію вгору від чіпа на 9°. Це дозволило їм досягти менше 0.01 дБ втрат через інтерфейс.

Відроджена заплутаність фотонів може покращити квантовий зв’язок і зображення   

Щоб допомогти в бездоганній інтеграції всіх компонентів, команда вибрала конструкцію, в якій середовище підсилення лазера, фільтр і хвилеводи для генерації пар фотонів містяться всередині лазерного резонатора. «Вони придумали цю розумну схему, щоб інтегрувати фільтрацію та виробництво пар в ті самі кільця з нітриду кремнію та лазер на одному чіпі, що дуже круто», — пояснює Голдшмідт.

Сконструювати весь механізм всередині лазерної порожнини було непросто. Зокрема, фільтр, який вони використовували, не був адаптований для цілей квантового світла, і вони наполегливо працювали, щоб адаптувати його. «Втрата має дорівнювати загальному посиленню, щоб підтримувати дію лазера, — каже Халдар, — і це дуже складне технічне завдання. Якщо проміжок між двома хвилеводами становить, скажімо, 200 нм, зміна його лише на 180 нм може призвести до того, що весь чіп не працюватиме».

Чіп створює пари частотно-заплутаних фотонів із точністю 99% приблизно 1000 разів на секунду. Зараз команда працює над розширенням фотонних можливостей на чіпі, включаючи створення багатофотонних кластерних станів. Це стани, що містять кілька заплутаних фотонів, які можна використовувати як ефективні кубіти, які менш чутливі до втрат. Створення ефективних кластерних станів є складною відкритою проблемою в квантових обчисленнях. Ґолдшмідт каже: «Мультиплексування кількох із цих джерел на одному чіпі — це дуже чіткий шлях вперед, який дозволяє заплутувати більше ступенів свободи та створювати більш складні заплутані стани».

Свої результати вони описали в Природа Фотоніка.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/entangled-light-source-is-fully-on-chip/