Photon-opdagelse er et stort skridt mod store kvanteteknologier

Et team af fysikere ved University of Bristol har udviklet den første integrerede fotonkilde med potentiale til at levere storskala kvantefotonik.

Udviklingen af ​​kvanteteknologier lover at have en dybtgående indflydelse på tværs af videnskab, teknik og samfund. Kvantecomputere i stor skala vil være i stand til at løse problemer, der ikke kan håndteres på selv de mest kraftfulde nuværende supercomputere, med mange revolutionerende applikationer, for eksempel, i design af nye lægemidler og materialer.

Integreret kvantefotonik er en lovende platform til udvikling af kvanteteknologier på grund af dets evne til at generere og kontrollere fotoner - enkeltpartikler af lys - i miniaturiserede komplekse optiske kredsløb. Ved at udnytte den modne CMOS-siliciumindustri til fremstilling af integrerede enheder kan kredsløb med ækvivalent til tusinder af optiske fibre og komponenter integreres på en enkelt millimeterskala.

Brugen af ​​integreret fotonik til udvikling af skalerbare kvanteteknologier er efterspurgt. University of Bristol er en pioner inden for dette område, som det fremgår af ny forskning offentliggjort i Naturkommunikation .

Dr. Stefano Paesani, hovedforfatter forklarer:

"En vigtig udfordring, der har begrænset skalering af integreret kvantefotonik, har været manglen på on-chip-kilder, der er i stand til at generere enkeltfoner i høj kvalitet. Uden støjsvage fotonkilder, fejl i en kvanteberegning akkumuleres hurtigt, når kredsløbets kompleksitet øges, hvilket resulterer i, at beregningen ikke længere er pålidelig. I øvrigt, optiske tab i kilderne begrænser antallet af fotoner, kvantecomputeren kan producere og behandle.

"I dette arbejde fandt vi en måde at løse dette på, og på den måde udviklede vi den første integrerede fotonkilde, der er kompatibel med storskala kvantefotonik. For at opnå fotoner i høj kvalitet, vi udviklede en ny teknik-"inter-modal spontan blanding af fire bølger"-hvor de mange former for lys, der formerer sig gennem en siliciumbølgeleder, ikke-lineært forstyrres, skaber ideelle betingelser for at generere enkeltfotoner. "

Sammen med kolleger ved University of Trento i Italien, teamet baseret på prof. Anthony Laings gruppe i Bristols Quantum Engineering Technology Labs (QETLabs) benchmarkede brugen af ​​sådanne kilder til fotonisk kvanteberegning i et varslet Hong-Ou-Mandel-eksperiment, en byggesten til optisk behandling af kvanteoplysninger, og opnåede den højeste kvalitet på chip chip fotonisk interferens nogensinde observeret (96% synlighed).

Dr. Paesani sagde:"Enheden demonstrerede langt de bedste præstationer for enhver integreret fotonkilde:spektral renhed og umulighed på 99% og> 90% fotonindvarslingseffektivitet. "

Vigtigere, den siliconiske fotoniske enhed blev fremstillet via CMOS-kompatible processer i et kommercielt støberi, hvilket betyder, at tusindvis af kilder let kan integreres på en enkelt enhed. Forskningen, finansieret af Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) Hub i Quantum Computing and Simulation og European Research Council (ERC), repræsenterer et stort skridt i retning af at opbygge kvantekredsløb i stor skala og baner vejen for flere applikationer.

"Vi har løst et kritisk sæt af lyde, der tidligere havde begrænset omfanget af fotonisk kvanteinformationsbehandling. F.eks. arrays af hundredvis af disse kilder kan bruges til at bygge nærliggende støjende mellemstore kvante (NISQ) fotoniske maskiner, hvor snesevis af fotoner kan behandles for at løse specialiserede opgaver, såsom simulering af molekylær dynamik eller visse optimeringsproblemer relateret til grafteori. "

Nu har forskere udtænkt, hvordan man bygger næsten perfekte fotonkilder, i løbet af de næste par måneder vil skalerbarheden af ​​Silicon -platformen give dem mulighed for at integrere titusindvis til hundredvis på en enkelt chip. Udvikling af kredsløb i en sådan skala vil gøre det muligt for NISQ fotoniske kvantemaskiner at løse industrielt relevante problemer ud over de nuværende supercomputers kapacitet.

"Desuden, med avanceret optimering og miniaturisering af fotonkilden, vores teknologi kan føre til fejltolerante kvanteoperationer i den integrerede fotoniske platform, frigøre kvantecomputernes fulde potentiale, "sagde Dr. Paesani.