Forskere i Sverige udvikler lysemitter til kvantekredsløb

Løftet om et kvanteinternet afhænger af kompleksiteten ved at udnytte lys til at transmittere kvanteinformation over fiberoptiske netværk. Et potentielt skridt fremad blev rapporteret i dag af forskere i Sverige, som udviklede integrerede chips, der kan generere lette partikler efter behov og uden behov for ekstrem køling.

Kvanteberegning i dag er afhængig af stoftilstande, det er, elektroner, der bærer qubits af information til at udføre flere beregninger samtidigt, på en brøkdel af den tid, det tager med klassisk databehandling.

Medforfatteren til undersøgelsen, Val Zwiler, Professor ved KTH Kgl. siger, at for at kunne integrere kvantedatabehandling problemfrit med fiberoptiske netværk - som bruges af internettet i dag - ville en mere lovende tilgang være at udnytte optiske fotoner.

"Den fotoniske tilgang tilbyder en naturlig forbindelse mellem kommunikation og beregning, " siger han. "Det er vigtigt, da slutmålet er at transmittere den behandlede kvanteinformation ved hjælp af lys."

Men for at fotoner kan levere qubits on-demand i kvantesystemer, de skal udsendes i en deterministisk, snarere end sandsynlighed, mode. Dette kan opnås ved ekstremt lave temperaturer i kunstige atomer, men i dag rapporterede forskergruppen på KTH om en måde at få det til at fungere i optiske integrerede kredsløb - ved stuetemperatur.

Den nye metode gør det muligt at placere fotonemittere præcist i integrerede optiske kredsløb, der ligner kobberledninger til elektricitet, bortset fra at de bærer lys i stedet, siger medforfatter til forskningen, Ali Elshaari, Lektor ved KTH.

Forskerne udnyttede de enkeltfoton-emitterende egenskaber af hexagonal bornitrid (hBN), et lagdelt materiale. hBN er en forbindelse, der almindeligvis anvendes, bruges keramik, legeringer, harpiks, plast og gummi for at give dem selvsmørende egenskaber. De integrerede materialet med siliciumnitridbølgeledere for at dirigere de udsendte fotoner.

Kvantekredsløb med lys drives enten ved kryogene temperaturer - plus 4 Kelvin over det absolutte nulpunkt - ved hjælp af atomlignende enkeltfotonkilder, eller ved stuetemperatur ved hjælp af tilfældige enkeltfotonkilder, siger Elshaari. Derimod teknikken udviklet på KTH muliggør optiske kredsløb med on-demand emission af lyspartikler ved stuetemperatur.

"I eksisterende optiske kredsløb, der arbejder ved stuetemperatur, du ved aldrig, hvornår den enkelte foton er genereret, medmindre du foretager en varslingsmåling, " siger Elshaari. "Vi realiserede en deterministisk proces, der præcist placerer lyspartikeludsendere, der arbejder ved stuetemperatur i et integreret fotonisk kredsløb."

Forskerne rapporterede kobling af hBN enkelt foton emitter til siliciumnitrid bølgeledere, og de udviklede en metode til at afbilde kvanteemitterne. Så i en hybrid tilgang, holdet byggede de fotoniske kredsløb med hensyn til kvantekildernes placeringer ved hjælp af en række trin, der involverer elektronstrålelitografi og ætsning, samtidig med at kvantelysets høje kvalitet bevares.

Præstationen åbner en vej til hybrid integration, det er, at inkorporere atom-lignende enkelt-foton-emittere i fotoniske platforme, der ikke kan udsende lys effektivt efter behov.