Gennembrud inden for kvantefotonik lover en ny æra inden for optiske kredsløb

Den moderne verden drives af elektriske kredsløb på en "chip" - halvlederchippen, der understøtter computere, mobiltelefoner, internettet, og andre applikationer. I år 2025, mennesker forventes at skabe 175 zettabyte (175 billioner gigabyte) af nye data. Hvordan kan vi sikre sikkerheden af ​​følsomme data ved så høj en mængde? Og hvordan kan vi løse store udfordringer-lignende problemer, fra privatliv og sikkerhed til klimaændringer, udnytte disse data, især i betragtning af de nuværende computeres begrænsede kapacitet?

Et lovende alternativ er nye kvantekommunikations- og beregningsteknologier. For at dette kan ske, imidlertid, det vil kræve udbredt udvikling af kraftige nye kvanteoptiske kredsløb; kredsløb, der er i stand til sikkert at behandle de enorme mængder information, vi genererer hver dag. Forskere i USC's Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science har gjort et gennembrud for at hjælpe med at aktivere denne teknologi.

Mens et traditionelt elektrisk kredsløb er en vej, langs hvilken elektroner fra en elektrisk ladning strømmer, et kvanteoptisk kredsløb bruger lyskilder, der genererer individuelle lyspartikler, eller fotoner, på forespørgsel, en ad gangen, fungerer som informationsbærende bits (kvantebits eller qubits). Disse lyskilder er halvleder-"kvanteprikker" i nanostørrelse - små fremstillede samlinger af titusindvis til en million atomer pakket i et volumen af ​​lineær størrelse mindre end en tusindedel af tykkelsen af ​​typisk menneskehår begravet i en matrix af en anden passende halvleder .

De har indtil videre vist sig at være de mest alsidige on-demand enkeltfotongeneratorer. Det optiske kredsløb kræver, at disse enkeltfotonkilder er arrangeret på en halvlederchip i et regulært mønster. Fotoner med næsten identisk bølgelængde fra kilderne skal så frigives i en styret retning. Dette giver dem mulighed for at blive manipuleret til at danne interaktioner med andre fotoner og partikler til at transmittere og behandle information.

Indtil nu, der har været en betydelig barriere for udviklingen af ​​sådanne kredsløb. For eksempel, i nuværende fremstillingsteknikker har kvanteprikker forskellige størrelser og former og samles på chippen på tilfældige steder. Det faktum, at prikkerne har forskellige størrelser og former, betyder, at de fotoner, de frigiver, ikke har ensartede bølgelængder. Dette og manglen på positionsorden gør dem uegnede til brug i udviklingen af ​​optiske kredsløb.

I nyligt offentliggjort værk, forskere ved USC har vist, at enkelte fotoner faktisk kan udsendes på en ensartet måde fra kvanteprikker arrangeret i et præcist mønster. Det skal bemærkes, at metoden til at justere kvanteprikker først blev udviklet på USC af den ledende PI, Professor Anupam Madhukar, og hans team for næsten tredive år siden, langt før den nuværende eksplosive forskningsaktivitet inden for kvanteinformation og interesse for enkelt-foton-kilder på chip. I dette seneste værk, USC-teamet har brugt sådanne metoder til at skabe enkeltkvanteprikker, med deres bemærkelsesværdige enkelt-foton emissionsegenskaber. Det forventes, at evnen til præcist at justere ensartet udsendende kvanteprikker vil muliggøre produktion af optiske kredsløb, potentielt føre til nye fremskridt inden for kvantecomputere og kommunikationsteknologier.

Arbejdet, udgivet i APL fotonik , blev ledet af Jiefei Zhang, i øjeblikket forskningsassistent professor i Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science, med den tilsvarende forfatter Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris Professor i teknik og professor i kemiteknik, Elektroteknik, Materialevidenskab, og fysik.

"Gennembruddet baner vejen til de næste trin, der kræves for at gå fra laboratoriedemonstration af enkeltfotonfysik til chip-skala fremstilling af kvantefotoniske kredsløb, " sagde Zhang. "Dette har potentielle anvendelser inden for kvante (sikker) kommunikation, billeddannelse, sansning og kvantesimuleringer og beregning."

Madhukar sagde, at det er vigtigt, at kvanteprikker ordnes på en præcis måde, så fotoner frigivet fra to eller flere prikker kan manipuleres til at forbinde med hinanden på chippen. Dette vil danne grundlag for byggeenhed til kvanteoptiske kredsløb.

"Hvis kilden, hvor fotonerne kommer fra, er tilfældigt placeret, det kan ikke lade sig gøre, siger Madhukar.

"Den nuværende teknologi, der giver os mulighed for at kommunikere online, for eksempel ved hjælp af en teknologisk platform som Zoom, er baseret på silicium integreret elektronisk chip. Hvis transistorerne på denne chip ikke er placeret på nøjagtigt designede steder, der ville ikke være noget integreret elektrisk kredsløb, " sagde Madhukar. "Det er det samme krav til fotonkilder, såsom kvanteprikker, for at skabe kvanteoptiske kredsløb."

Forskningen understøttes af Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) og U.S. Army Research Office (ARO).

"Dette fremskridt er et vigtigt eksempel på, hvordan man løser grundlæggende materialevidenskabelige udfordringer, som hvordan man skaber kvanteprikker med præcis position og sammensætning, kan have store nedstrømsimplikationer for teknologier som kvanteberegning, " sagde Evan Runnerstrøm, programleder, Hærens forskningskontor, et element af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. "Dette viser, hvordan ARO's målrettede investeringer i grundforskning understøtter Hærens vedvarende moderniseringsindsats inden for områder som netværk."

For at skabe det præcise layout af kvanteprikker til kredsløbene, teamet brugte en metode kaldet SESRE (substratkodet størrelsesreducerende epitaxy) udviklet i Madhukar-gruppen i begyndelsen af ​​1990'erne. I det nuværende arbejde, holdet fremstillede regulære arrays af nanometerstore mesas med en defineret kantorientering, form (sidevægge) og dybde på et fladt halvledersubstrat, sammensat af galliumarsenid (GaAs). Quantum prikker oprettes derefter oven på mesas ved at tilføje passende atomer ved hjælp af følgende teknik.

Først, indkommende gallium (Ga) atomer samles på toppen af ​​nanoskala mesas tiltrukket af overfladeenergikræfter, hvor de deponerer GaA'er. Derefter, den indkommende flux skiftes til indium (In) atomer, til igen at deponere indiumarsenid (InAs) efterfulgt af Ga-atomer for at danne GaAs og dermed skabe de ønskede individuelle kvanteprikker, der ender med at frigive enkelte fotoner. For at være nyttig til at skabe optiske kredsløb, mellemrummet mellem de pyramideformede nano-mesas skal fyldes med materiale, der flader overfladen ud. Den sidste chip, hvor uigennemsigtig GaAs er afbildet som et gennemskinnelig overlag, hvorunder kvanteprikkerne er placeret.

"Dette arbejde sætter også en ny verdensrekord af ordnede og skalerbare kvanteprikker med hensyn til den samtidige renhed af enkeltfotonemission på mere end 99,5 %, og med hensyn til ensartetheden af ​​bølgelængden af ​​de udsendte fotoner, som kan være så smal som 1,8 nm, hvilket er en faktor på 20 til 40 bedre end typiske kvanteprikker, "Sagde Zhang.

Zhang sagde, at med denne ensartethed, det bliver muligt at anvende etablerede metoder såsom lokal opvarmning eller elektriske felter til at finjustere fotonbølgelængderne af kvanteprikkerne, så de nøjagtigt matcher hinanden, hvilket er nødvendigt for at skabe de nødvendige sammenkoblinger mellem forskellige kvanteprikker til kredsløb.

Det betyder, at forskere for første gang kan skabe skalerbare kvantefotoniske chips ved hjælp af veletablerede halvlederbehandlingsteknikker. Ud over, holdets indsats er nu fokuseret på at fastslå, hvor identiske de udsendte fotoner er fra de samme og/eller fra forskellige kvanteprikker. Graden af ​​ikke-skelnelighed er central for kvanteeffekter af interferens og sammenfiltring, der understøtter kvanteinformationsbehandling -kommunikation, sansning, billeddannelse, eller computere.

Zhang konkluderede:"Vi har nu en tilgang og en materialeplatform til at levere skalerbare og ordnede kilder, der genererer potentielt udskillelige enkeltfotoner til kvanteinformationsapplikationer. Tilgangen er generel og kan bruges til andre egnede materialekombinationer til at skabe kvanteprikker, der udsender over en bred vifte af bølgelængder foretrækkes til forskellige applikationer, for eksempel fiberbaseret optisk kommunikation eller det mid-infrarøde regime, velegnet til miljøovervågning og medicinsk diagnostik, " sagde Zhang.

Gernot S. Pomrenke, AFOSR Program Officer, Optoelektronik og fotonik sagde, at pålidelige arrays af on-demand enkeltfotonkilder på chip var et stort skridt fremad.

"Dette imponerende vækst- og materialevidenskabelige arbejde strækker sig over tre årtiers dedikeret indsats, før forskningsaktiviteter i kvanteinformation var i mainstream, "Pomrenke sagde." Indledende AFOSR -finansiering og ressourcer fra andre DoD -agenturer har været afgørende for at realisere det udfordrende arbejde og vision fra Madhukar, hans elever, og samarbejdspartnere. Der er stor sandsynlighed for, at arbejdet vil revolutionere datacentrenes muligheder, medicinsk diagnostik, forsvar og relaterede teknologier."