Forskere udvikler sammenfiltrede fotonpar i integreret siliciumcarbid for første gang

Kvanteinformationsvidenskab er virkelig fascinerende - par af bittesmå partikler kan vikles ind, så en operation på begge vil påvirke dem begge, selvom de er fysisk adskilt. En tilsyneladende magisk proces kaldet teleportering kan dele information mellem forskellige vidtstrakte kvantesystemer.

Disse forskellige systemer kan kobles ved hjælp af kvanteprocesser til at danne kvantekommunikationsnetværk. Sikker kommunikation, distribueret kvanteberegning og kvanteregistrering er blot nogle af de bemærkelsesværdige potentielle applikationer.

Gennem mere end tre årtier med Quantum 2.0 – perioden med kvante-F&U, der dækker udviklingen af ​​kvanteenheder, systemer og protokoller til at generere og bruge kvantesammenfiltring – krævede langt de fleste eksperimenter voluminøs optik og specialiserede justeringsplaner, der ofte spænder over store optiske specialformål. borde, der er pneumatisk svævende for at undgå de mindste mekaniske vibrationer.

På nogenlunde samme måde som miniaturiseret silicium integreret elektronik muliggjorde udviklingen af ​​computerprocessorer fra store rumskala samlinger af kondensatorer, rør og magneter til små, men kraftfulde mikrochips indeholdende millioner og atter millioner af komponenter, som vores moderne og "smarte" teknologier er baseret på; kvantekomponenter og -processer skal miniaturiseres ved hjælp af integreret optik for at bane vejen for storskala-implementering og brug af kvanteinformationsvidenskab ud over eksperimenter i laboratorieskala og mod virkelige anvendelser.

Siliciumcarbid (SiC) er en førende platform for integrerede processer – drevet i de senere år ved dets anvendelse i de integrerede elektroniske systemer af grønne teknologier såsom elektriske køretøjer. Denne applikation har ført til betydelige forbedringer i kvaliteten af ​​SiC-wafere, basisformatet til at skabe integrerede enheder.

Inden for kvantevidenskabens område er SiC dukket op som et lovende materiale til Integrated Quantum Photonics (IQP), der overvinder skalerbarhedsproblemer set i andre materialer som silicium. SiCs unikke egenskaber gør den ideel til integrerede kvanteoptiske processer, men der er stadig udfordringer med at udnytte dets fulde potentiale. Nylige gennembrud inden for generering af sammenfiltrede fotoner på SiC-mikrochips markerer et væsentligt skridt i retning af at frigøre dets muligheder for praktiske kvanteapplikationer.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, MD og ved Carnegie Mellon University of Pittsburg, PA rapporteret om den første demonstration af en chip-skala sammenfiltret fotonkilde i SiC.

Enheden er implementeret af en høj-ordens ikke-lineær proces kendt som spontan fire-bølge blanding (SFWM) ved hjælp af en integreret optisk mikroring resonator mønstret på en 4H-SiC-on-isolator platform.

Eksperimentet er designet således, at parrene af fotoner (signal og tomgang) er på telekommunikationsbølgelængden og ideelle til at blive transmitteret i optiske fibre (hvilket er vigtigt for kvantekommunikation og kvantenetværk) og er skabt på en sådan måde, at de bliver viklet ind. i tid og energi (kendt som tids-energi-entanglement). Forskerne rapporterer, at de genererer sammenfiltrede fotonpar af høj kvalitet og høj renhed.

Disse forskere opsummerer funktionerne ved den nye enhed og siger "Vores resultater, herunder et maksimalt forhold mellem tilfældighed og uheld> 600 for en on-chip fotonparhastighed på (9 ± 1) × 10 ³ par/s og pumpeeffekt på 0,17 mW, en bebudet ???? ⁽²⁾ (0) i størrelsesordenen 10 ^-3 , og synlighed af en to-foton-interferenskant, der overstiger 99%, viser utvetydigt, at integrerede SiC-baserede enheder kan være levedygtige til chip-skala kvanteinformationsbehandling. Derudover er disse resultater sammenlignelige med dem opnået fra mere modne integrerede fotoniske platforme såsom silicium."

"Vi mener, at vores undersøgelse giver stærk støtte til konkurrenceevnen af ​​4H-SiC-on-isolator-platformen til kvanteapplikationer. For eksempel kan den påviste sammenfiltrede fotonkilde let implementeres i et fiberoptisk netværk til kvantekommunikation.

"Derudover kan vi ved at justere bølgelængden af ​​tomgangsfotonen til nul-fonon-linjen i forskellige farvecentre, der findes i SiC, skabe sammenfiltring mellem signalfotonen og spin-tilstanden. Denne bølgelængdejusteringsproces kan også integreres og implementeres enten gennem chip-skala dispersion engineering eller frekvenskonvertering," tilføjede de.

Fremtiden for SiC-baseret integreret optik er bestemt lovende, da forskerne siger, at "alle disse muligheder peger på en lys fremtid for SiC-baseret kvantefotonik ved at muliggøre integrationen af ​​et væld af chip-skala kvantefotoniske og elektriske processer med farve centre til forskellige applikationer."