Næsten optimal chip-baseret fotonkilde udviklet til kvanteberegning

Forskere har udviklet en ny CMOS-kompatibel silicon fotonisk fotonkilde, der opfylder alle de krav, der er nødvendige for storskala fotonisk kvanteberegning. Forskningen repræsenterer et væsentligt skridt hen imod massefremstillelige ideelle enkeltfotonkilder.

Der er en udbredt indsats for at udvikle chip-baserede kvantecomputere, fordi de modne CMOS-fremstillingsprocesser, der bruges til at fremstille nutidens computerchips, i høj grad kan sænke omkostningerne ved storskala kvanteinformationsbehandling. Selvom forskere har påvist mange af de komponenter, der er nødvendige for at lave kvantecomputere i siliciumchips, en enkelt fotonkilde på chip har vist sig at være udfordrende på grund af det strenge krav om at skabe fotoner af høj kvalitet.

Stefano Paesani fra University of Bristol i Storbritannien vil præsentere den nye forskning på det helt virtuelle OSA Grænser i optik og Laser Science APS/DLS (FiO + LS) konference, der afholdes 14.-17. september.

"Ved at demonstrere støjsvage fotonkilder, der samtidig opfylder alle krav til storskala fotoniske kvantecomputere, vi har overvundet en afgørende udfordring, der havde begrænset skaleringen af ​​kvantefotoniske teknologier, " sagde Paesani. "Teknikkerne udviklet i dette arbejde kunne fremskynde udviklingen af ​​massefremstillede kvanteteknologier i chipskala med flere år. Sådanne teknologier lover enorme beregningsmæssige kvantehastigheder, ubetinget sikker kommunikation, og kvanteforbedrede sensorer. "

Oprettelse af kvalitetsfotoner

Som navnet antyder, enkeltfotonkilder udsender lys som enkeltfotoner. De er en nøglekomponent i optiske kvantecomputere, som bruger fotonerne til at transportere data i form af qubits. Qubits kan være i to tilstande på samme tid og vil forstyrre, eller korrelere, med hinanden, gør det muligt at udføre mange processer samtidigt.

Enkeltfotonkilder, der bruges i kvanteberegning, har meget krævende krav. De skal være meget utydelige og rene, enten nær-deterministisk eller yderst effektiv, og velegnet til masseproduktion. For at opfylde alle disse krav, Paesani og kolleger designet en ny enkeltfotonkilde baseret på intermodal spontan firebølgeblanding i en multi-mode siliciumbølgeleder.

Den intermodale tilgang til on-chip fotonkilder, hvor et samspil mellem flere optiske pumpefelter bruges til at generere fotoner, muliggør nye frihedsgrader til at kontrollere fotonemissionen. Ved at skræddersy geometrien af ​​en multi-mode bølgeleder med lavt tab og den tidsmæssige forsinkelse på chip mellem pumpefelterne, forskergruppen viste, at egenskaberne ved den spontane fotonemission kunne konstrueres til at opnå næsten ideelle fotoner.

For at teste det nye design, forskerne fremstillede enkeltfoton-enheder på standard silicium-på-isolator ved hjælp af CMOS-kompatible litografiprocesser på en kommerciel wafer. Test af enhederne afslørede, at multi-mode bølgeledere reducerede transmissionstab betydeligt, muliggør en iboende effektivitet for kilden på cirka 90%. En høj indvarslingseffektivitet er nødvendig for at opskalere kvantebehandling.

Forskerne udførte også on-chip fotoninterferens, hvilket er afgørende for kvanteberegninger. Disse eksperimenter gav en rådatasynlighed på 96 %, den hidtil højeste rapporterede inden for integreret fotonik. Denne præstation muliggør on-chip kvanteoperationer mellem fotoner på et hidtil uset niveau af præcision, åbner muligheden for at opskalere støjsvag fotonbehandling i kortsigtede kvantefotoniske enheder.

Forskerne siger, at enkeltfotonkilden kunne forbedres yderligere med en bedre pumpelaser og ved at bruge en mere ensartet fremstillingsproces.