Ny arkitektur kan vise sig at være afgørende for højtydende kvantefotoniske kredsløb

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres samarbejdspartnere har taget et nyt skridt fremad i søgen efter at bygge kvantefotoniske kredsløb-chipbaserede enheder, der er afhængige af lysets kvanteegenskaber for at behandle og kommunikere information hurtigt og sikkert .

Kvantekredsløbets arkitektur, som teamet har udtænkt, er blandt de første til at kombinere to forskellige typer optiske enheder, lavet af forskellige materialer, på en enkelt chip - en halvlederkilde, der effektivt genererer enkeltpartikler af lys (fotoner) efter behov, og et netværk af "bølgeledere", der transporterer disse fotoner hen over kredsløbet med lavt tab. Maksimering af antallet af fotoner, ideelt set identiske egenskaber, er afgørende for at muliggøre applikationer såsom sikker kommunikation, præcisionsmåling, sensing og beregning, med potentielt større ydeevne end eksisterende teknologier.

Arkitekturen, udviklet af Marcelo Davanco og andre NIST -forskere sammen med samarbejdspartnere fra Kina og Storbritannien, anvender en nanometer-skala halvlederstruktur kaldet en kvantepunkt-fremstillet af indiumarsenid-til at generere individuelle fotoner på samme chip som de optiske bølgeledere-fremstillet af siliciumnitrid. Kombination af disse to materialer kræver særlige behandlingsteknikker. Sådanne hybridkredsløbsarkitekturer kan blive byggesten til mere komplekse systemer.

Tidligere har kvanteintegrerede fotoniske kredsløb bestod typisk kun af passive enheder såsom bølgeledere og strålesplittere, som lod fotoner igennem eller tillod dem at samles. Fotonerne selv skulle stadig produceres uden for chippen, og at få dem på chippen resulterede i tab, hvilket forringede kredsløbets ydeevne betydeligt. Kredsløbsarkitekturer, der omfattede kvantelysgenerering på en chip, inkorporerede enten kilder, der kun producerede fotoner tilfældigt og med lave hastigheder - hvilket begrænser ydeevnen - eller havde kilder, hvor en foton ikke nødvendigvis var identisk med den næste. Ud over, fremstillingsprocesserne, der understøtter disse tidligere arkitekturer, gjorde det svært at opskalere antallet, størrelse og kompleksitet af de fotoniske kredsløb.

I modsætning, den nye arkitektur og fremstillingsprocesser, teamet udviklede, skulle sætte forskere i stand til pålideligt at bygge større kredsløb, som kunne udføre mere komplekse beregninger eller simuleringer og oversætte til højere målepræcision og detekteringsfølsomhed i andre applikationer.

Den kvantepunkt, teamet anvender, er en velstuderet nanometer-struktur:en ø med halvlederindiumarsenid omgivet af galliumarsenid. Indiumarsenid/galliumarsenid -nanostrukturen fungerer som et kvantesystem med to energiniveauer - en jordtilstand (lavere energiniveau) og en ophidset tilstand (højere energiniveau). Når en elektron i den ophidsede tilstand mister energi ved at falde ned til grundtilstanden, det udsender en enkelt foton.

I modsætning til de fleste typer to-niveau emittere, der findes i fast tilstand, disse kvanteprikker har vist sig at generere - pålideligt på forespørgsel, og med store hastigheder - de enkelte fotoner, der er nødvendige til kvanteprogrammer. Ud over, forskere har været i stand til at placere dem inde i nanoskala, lysbegrænsende rum, der tillader en større hastighed af enkeltfotonemissionshastigheden, og i princippet kunne også tillade, at kvantepunktet exciteres af en enkelt foton. Dette gør det muligt for kvantepunkterne at hjælpe direkte med behandling af information frem for blot at producere strømme af fotoner.

Den anden del af teamets hybridkredsløbsarkitektur består af passive bølgeledere lavet af siliciumnitrid, kendt for deres evne til at transmittere fotoner hen over en chips overflade med meget lavt foton tab. Dette gør det muligt for quantum-dot-genererede fotoner effektivt at samles med andre fotoner ved en strålesplitter, eller interagere med andre kredsløbselementer, såsom modulatorer og detektorer.

"Vi får det bedste fra begge verdener, hvor hver opfører sig rigtig godt sammen på et enkelt kredsløb, "sagde Davanco. Faktisk, hybridarkitekturen holder den høje ydeevne opnået i enheder, der udelukkende er fremstillet af hvert af de to materialer, med lidt nedbrydning, når de sættes sammen. Han og hans kolleger beskrev arbejdet i et nyligt nummer af Naturkommunikation .

For at lave hybridenheder, Davanco og hans kolleger limede først to wafers sammen - en indeholdende kvantepunkterne, den anden indeholder siliciumnitridbølgeledermaterialet. De brugte en variation af en proces, der oprindeligt var blevet udviklet til fremstilling af hybrid fotoniske lasere, som kombinerede silicium til bølgeledere og sammensatte halvledere til klassisk lysemission. Når limningen var færdig, de to materialer blev derefter skulptureret med nanometer-opløsning i deres endelige geometrier gennem state-of-the-art halvlederudstyrsmønstre og ætsningsteknikker.

Selvom denne waferbindingsteknik blev udviklet for mere end et årti siden af ​​andre forskere, teamet er det første til at anvende det til fremstilling af integrerede kvantefotoniske enheder.

"Da vi har ekspertise inden for både fremstilling og kvantefotonik, det virkede klart, at vi kunne låne og tilpasse denne proces til at skabe denne nye arkitektur, "bemærker Davanco.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.