Skalering af silicium kvantefotonisk teknologi

Et internationalt team af kvanteforskere og ingeniører ledet af University of Bristol og involverer grupper fra Kina, Danmark, Spanien, Tyskland og Polen, har realiseret en avanceret kvantum fotonisk enhed i stor skala, der kan forvirre fotoner til utrolige præcisionsniveauer.

Mens standard kvantehardware sammenfiltrer partikler i to tilstande, teamet har fundet en måde at generere og sammenfiltre par partikler, der hver har 15 tilstande.

Den integrerede fotoniske chip sætter en ny standard for kompleksitet og præcision af kvantefotonik, med øjeblikkelige applikationer til kvanteteknologier.

Integreret kvantefotonik muliggør routing og kontrol af enkeltpartikler af lys med iboende høj stabilitet og præcision, men hidtil har det været begrænset til små demonstrationer, hvor kun et lille antal komponenter er integreret på en chip.

Opskalering af disse kvantekredsløb er af afgørende betydning for at øge kompleksiteten og beregningskraften i moderne kvanteinformationsbehandlingsteknologier, åbner mulighed for mange revolutionerende applikationer.

Holdet, ledet af forskere fra University of Bristols Quantum Engineering Technology Laboratories (QET Labs) har demonstreret det første store integrerede kvantefotoniske kredsløb nogensinde, som integrerer hundredvis af væsentlige komponenter, kan generere, kontrollere og analysere højdimensionel sammenfiltring med et hidtil uset præcisionsniveau.

Kvantechippen blev realiseret ved hjælp af en skalerbar silicon fotonik teknologi, ligner nutidens elektroniske kredsløb, hvilket ville give en vej til fremstilling af massive komponenter til realisering af en optisk kvantecomputer.

Arbejdet, i samarbejde med Peking University, Danmarks Tekniske Universitet (DTU), Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO), Max Planck Institute, Center for teoretisk fysik ved det polske videnskabsakademi, og Københavns Universitet, er blevet offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab .

Den sammenhængende og præcise styring af store kvanteindretninger og komplekse flerdimensionale sammenfiltringssystemer har været en udfordrende opgave på grund af de komplekse interaktioner mellem korrelerede partikler i store kvantesystemer. Der er for nylig blevet rapporteret betydelige fremskridt i retning af realiseringen af ​​store kvanteenheder på en række forskellige platforme, herunder fotoner, superledere, ioner, prikker og defekter.

I særdeleshed, fotonik repræsenterer en lovende tilgang til naturligt at kode og behandle multidimensionale qudit -tilstande i fotonens forskellige frihedsgrader.

I dette arbejde, demonstreres et programmerbart sti-kodet multidimensionalt sammenfiltret system med dimension op til 15 × 15, hvor to foton eksisterer over 15 optiske stier på samme tid og er viklet ind i hinanden.

Denne flerdimensionale sammenfiltring realiseres ved at udnytte silicium-fotoniske kvantekredsløb, integrering i en enkelt chip, 550 optiske komponenter, herunder 16 identiske fotonpar-kilder, 93 optiske faseskiftere, 122 bjælkesplittere.

Hovedforfatter, Dr. Jianwei Wang, sagde:"Det er modenheden i nutidens silicium-fotonik, der giver os mulighed for at skalere teknologien og nå en storstilet integration af kvantekredsløb.

"Dette er det smukkeste ved kvantefotonik på silicium. Vores kvantechip giver os mulighed for at nå hidtil usete niveauer af præcision og kontrol af multidimensionel sammenfiltring, en nøglefaktor i mange kvanteinformationsopgaver inden for computing og kommunikation. "

Seniorforsker, tilsvarende forfatter Yunhong Ding fra DTU, Center for Silicon Photonics for Optical Communication (SPOC), tilføjet:"Nye teknologier muliggør altid nye applikationer.

"Mulighederne for vores silicium fotoniske integrerede teknologier på DTU tillader stor skala, yderst stabil kvanteinformationsbehandlingschips, som sætter os i stand til at observere multidimensionale kvantekorrelationer af høj kvalitet, herunder generaliserede Bell- og EPR-styringskrænkelser, og også at implementere eksperimentelt uudforskede multidimensionale kvanteprotokoller:multidimensionel tilfældighedsudvidelse og statstestning. "

Dr. Anthony Laing, en ledende akademiker i Bristols QETLabs og tilsvarende forfatter, sagde:"Forvikling er et fascinerende træk ved kvantemekanikken og en, som vi endnu ikke helt forstår. Denne enhed og fremtidige generationer af chips med stigende kompleksitet og raffinement vil give os mulighed for at udforske dette område af kvantevidenskab og gøre nye opdagelser."

Professor Mark Thompson, leder af Bristol -teamet, tilføjede:"Vi har brugt de samme fremstillingsværktøjer og teknikker, der udnyttes i nutidens mikroelektronikindustri til at realisere vores silicium kvantefotoniske mikrochip. Imidlertid, i modsætning til konventionelle elektroniske kredsløb, der udnytter elektronernes klassiske adfærd, vores kredsløb udnytter kvanteegenskaberne ved en enkelt partikel af lys. Denne silicon-fotoniske tilgang til kvanteteknologier giver en klar vej til skalering op til de mange millioner komponenter, der i sidste ende er nødvendige for store kvantecomputer-applikationer. "