Halvlederkvantumtransistor åbner døren for fotonbaseret computing

Transistorer er små switches, der danner grundlaget for moderne computing; milliarder af dem leder elektriske signaler rundt inde i en smartphone, for eksempel.

Kvantecomputere skal bruge analog hardware til at manipulere kvanteinformation. Men designbegrænsningerne for denne nye teknologi er strenge, og nutidens mest avancerede processorer kan ikke genanvendes som kvanteenheder. Det er fordi kvanteinformationsbærere, kaldet qubits, skal følge forskellige regler, der er fastsat af kvantefysikken.

Forskere kan bruge mange slags kvantepartikler som qubits, selv de fotoner, der udgør lys. Fotoner har tilføjet appel, fordi de hurtigt kan sende oplysninger over lange afstande, og de er kompatible med fremstillede chips. Imidlertid, at lave en kvantetransistor udløst af lys har været udfordrende, fordi det kræver, at fotonerne interagerer med hinanden, noget der normalt ikke sker af sig selv.

Nu, forskere ved University of Marylands A. James Clark School of Engineering og Joint Quantum Institute (JQI) - ledet af professor i elektrisk og computerteknik, JQI -stipendiat, og Institut for Forskning i Elektronik og Anvendt Fysik Tilknyttet Edo Waks-har ryddet denne forhindring og demonstreret den første single-foton transistor ved hjælp af en halvlederchip. Enheden, beskrevet i 6. juli -udgaven af Videnskab , er kompakt; omkring en million af disse nye transistorer kunne passe ind i et enkelt gran salt. Det er også hurtigt og i stand til at behandle 10 milliarder fotoniske qubits hvert sekund.

"Ved hjælp af vores transistor, vi burde være i stand til at udføre kvanteporte mellem fotoner, "siger Waks." Software, der kører på en kvantecomputer, ville bruge en række sådanne operationer til at opnå eksponentiel hastighed for visse beregningsproblemer.

Den fotoniske chip er lavet af en halvleder med mange huller i den, får det til at ligne en honningkage. Lys, der kommer ind i chippen, hopper rundt og bliver fanget af hulmønsteret; en lille krystal kaldet en kvantepunkt sidder inde i det område, hvor lysintensiteten er stærkest. Analog med konventionel computerhukommelse, prikken gemmer oplysninger om fotoner, når de kommer ind i enheden. Prikken kan effektivt komme ind i hukommelsen for at formidle fotoninteraktioner - hvilket betyder, at handlinger af en foton påvirker andre, der senere ankommer til chippen.

"I en enkeltfoton-transistor skal kvantepunktshukommelsen forblive længe nok til at interagere med hver fotonisk qubit, "siger Shuo Sun, hovedforfatter til det nye arbejde og postdoktor ved Stanford University, som var UMD -gradstuderende på tidspunktet for forskningen. "Dette giver en enkelt foton mulighed for at skifte en større strøm af fotoner, hvilket er afgørende for, at vores enhed betragtes som en transistor. "

For at teste, at chippen fungerede som en transistor, forskerne undersøgte, hvordan enheden reagerede på svage lysimpulser, der normalt kun indeholdt en foton. I et normalt miljø, sådan svagt lys registreres måske næppe. Imidlertid, i denne enhed, en enkelt foton bliver fanget i lang tid, registrerer sin tilstedeværelse i den nærliggende prik.

Teamet observerede, at en enkelt foton kunne, ved at interagere med prikken, styre transmissionen af ​​en anden lyspuls gennem enheden. Den første lyspuls fungerer som en nøgle, åbner døren for den anden foton for at komme ind i chippen. Hvis den første puls ikke indeholdt nogen fotoner, prikken blokerede efterfølgende fotoner i at komme igennem. Denne adfærd ligner en konventionel transistor, hvor en lille spænding styrer strømmen gennem dens terminaler. Her, forskerne med succes erstattede spændingen med en enkelt foton og demonstrerede, at deres kvantetransistor kunne skifte en lyspuls indeholdende omkring 30 fotoner, før kvantepunktets hukommelse løb tør.

Waks siger, at hans team var nødt til at teste forskellige aspekter af enhedens ydeevne, før transistoren kom til at fungere. "Indtil nu, vi havde de enkelte komponenter nødvendige for at lave en enkelt foton transistor, men her kombinerede vi alle trin til en enkelt chip, " han siger.

Sun siger, at med realistiske tekniske forbedringer kunne deres fremgangsmåde tillade, at mange kvantelystransistorer kædes sammen. Holdet håber, at så hurtig, stærkt tilsluttede enheder vil i sidste ende føre til kompakte kvantecomputere, der behandler et stort antal fotoniske qubits.