Holdet nærmer sig den hellige gral af kvantecomputerchips ved stuetemperatur

For at behandle oplysninger, fotoner skal interagere. Imidlertid, disse små pakker af lys vil intet have med hinanden at gøre, hver går forbi uden at ændre den anden. Nu, forskere ved Stevens Institute of Technology har lokket fotoner til at interagere med hinanden med en hidtil uset effektivitet-et vigtigt fremskridt i retning af at realisere længe ventede kvanteoptiske teknologier til computing, kommunikation og fjernmåling.

Holdet, ledet af Yuping Huang, en lektor i fysik og direktør for Center for Kvantevidenskab og Engineering, bringer os tættere på dette mål med en chip i nanoskala, der letter fotoninteraktioner med meget højere effektivitet end noget tidligere system. Den nye metode, indberettet som notat i 18. sept. nummer af Optica , virker ved meget lave energiniveauer, tyder på, at det kunne optimeres til at arbejde på niveauet af individuelle fotoner - den hellige gral til rumtemperatur kvanteberegning og sikker kvantekommunikation.

"Vi skubber grænserne for fysik og optisk teknik for at bringe kvante- og altoptisk signalbehandling tættere på virkeligheden, " sagde Huang.

For at opnå dette fremskridt, Huangs team affyrede en laserstråle ind i et racerbaneformet mikrohulrum, der var skåret ud i en krystalskive. Mens laserlyset hopper rundt på racerbanen, dens afgrænsede fotoner interagerer med hinanden, producerer en harmonisk resonans, der får noget af det cirkulerende lys til at ændre bølgelængde.

Det er ikke et helt nyt trick, men Huang og kolleger, inklusive kandidatstuderende Jiayang Chen og seniorforsker Yong Meng Sua, dramatisk øget effektiviteten ved at bruge en chip fremstillet af lithiumniobat på isolatoren, et materiale, der har en unik måde at interagere med lys på. I modsætning til silicium, lithiumniobat er svært at kemisk ætse med almindelige reaktive gasser. Så, Stevens' team brugte et ion-fræsningsværktøj, i det væsentlige en nanosandblaster, at ætse en lille væddeløbsbane omkring en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår.

Inden racerbanestrukturen defineres, teamet havde brug for at anvende højspændings elektriske impulser for at skabe omhyggeligt kalibrerede områder med skiftevis polaritet, eller periodisk poling, der skræddersyer måden fotoner bevæger sig rundt på racerbanen, øger deres sandsynlighed for at interagere med hinanden.

Chen forklarede, at for både at ætse racerbanen på chippen og skræddersy den måde, fotoner bevæger sig rundt på, kræver snesevis af delikate nanofabrikationstrin, hver kræver nanometer præcision. "Så vidt vi ved, Vi er blandt de første grupper, der mestrer alle disse nanofabrikationstrin for at bygge dette system - det er grunden til, at vi kunne få dette resultat først. "

Bevæger sig fremad, Huang og hans team sigter mod at øge krystalvæddeløbsbanens evne til at begrænse og recirkulere lys, kendt som dens Q-faktor. Holdet har allerede identificeret måder at øge deres Q-faktor med en faktor på mindst 10, men hvert niveau op gør systemet mere følsomt over for umærkelige temperatursvingninger-et par tusinde grader-og kræver omhyggelig finjustering.

Stadig, Stevens-teamet siger, at de nærmer sig et system, der er i stand til at generere interaktioner på enkelt-foton-niveau pålideligt, et gennembrud, der ville tillade skabelsen af ​​mange kraftfulde kvantecomputerkomponenter såsom fotoniklogiske porte og sammenfiltringskilder, som langs et kredsløb, kan finde flere løsninger på det samme problem samtidigt, kunne tænkes at tillade beregninger, der kunne tage år at løse på få sekunder.

Vi kan stadig være et stykke tid fra det tidspunkt, Chen sagde, men for kvanteforskere vil rejsen være spændende. "Det er den hellige gral, " sagde Chen, avisens hovedforfatter. "Og på vej til den hellige gral, vi indser en masse fysik, som ingen har gjort før."