Forskere udvikler verdens mindste kvantelysdetektor på en siliciumchip

Forskere ved University of Bristol har lavet et vigtigt gennembrud inden for skalering af kvanteteknologi ved at integrere verdens mindste kvantelysdetektor på en siliciumchip. Artiklen, "A Bi-CMOS electronic photonic internal circuit quantum light detector," blev udgivet i Science Advances .

Et kritisk øjeblik i at låse op for informationsalderen var, da videnskabsmænd og ingeniører først var i stand til at miniaturisere transistorer på billige mikrochips i 1960'erne.

Nu, for første gang, har akademikere fra University of Bristol demonstreret integrationen af ​​en kvantelysdetektor - mindre end et menneskehår - på en siliciumchip, der flytter os et skridt tættere på kvanteteknologiernes tidsalder ved hjælp af lys.

At lave højtydende elektronik og fotonik i stor skala er grundlæggende for at realisere den næste generation af avancerede informationsteknologier. At finde ud af, hvordan man laver kvanteteknologier i eksisterende kommercielle faciliteter er en igangværende international indsats, der tackles af universitetsforskning og virksomheder rundt om i verden.

Det kan vise sig at være afgørende for kvantecomputere at være i stand til at lave højtydende kvantehardware i stor skala på grund af den store mængde komponenter, der forventes at bygge selv en enkelt maskine.

For at nå dette mål har forskere ved University of Bristol demonstreret en type kvantelysdetektor, der er implementeret på en chip med et kredsløb, der optager 80 mikrometer gange 220 mikrometer.

Kritisk betyder den lille størrelse, at kvantelysdetektoren kan være hurtig, hvilket er nøglen til at låse op for højhastigheds kvantekommunikation og muliggøre højhastighedsdrift af optiske kvantecomputere.

Brugen af ​​etablerede og kommercielt tilgængelige fremstillingsteknikker hjælper med udsigterne til tidlig inkorporering i andre teknologier såsom sansning og kommunikation.

"Disse typer detektorer kaldes homodynedetektorer, og de dukker op overalt i applikationer på tværs af kvanteoptik," forklarer professor Jonathan Matthews, der ledede forskningen og er direktør for Quantum Engineering Technology Labs.

"De fungerer ved stuetemperatur, og du kan bruge dem til kvantekommunikation i utroligt følsomme sensorer - som avancerede gravitationsbølgedetektorer - og der er design af kvantecomputere, der ville bruge disse detektorer."

I 2021 viste Bristol-teamet, hvordan sammenkædning af en fotonikchip med en separat elektronikchip kan øge hastigheden af ​​kvantelysdetektorer - nu med en enkelt elektronisk-fotonisk integreret chip har holdet øget hastigheden yderligere med en faktor 10 og samtidig reduceret fodaftrykket med en faktor på 50.

Selvom disse detektorer er hurtige og små, er de også følsomme.

"Nøglen til at måle kvantelys er følsomhed over for kvantestøj," forklarer forfatteren Dr. Giacomo Ferranti.

"Kvantemekanikken er ansvarlig for et minuts grundlæggende støjniveau i alle optiske systemer. Denne støjs adfærd afslører information om, hvilken slags kvantelys der rejser sig i systemet, den kan bestemme, hvor følsom en optisk sensor kan være, og den kan bruges til matematisk at rekonstruere kvantetilstande I vores undersøgelse var det vigtigt at vise, at det at gøre detektoren mindre og hurtigere ikke blokerede for dens følsomhed til at måle kvantetilstande."

Forfatterne bemærker, at der er mere spændende forskning at gøre i at integrere anden forstyrrende kvanteteknologi-hardware ned til chip-skalaen. Med den nye detektor skal effektiviteten forbedres, og der skal arbejdes med at prøve detektoren i mange forskellige applikationer.

Professor Matthews tilføjede:"Vi byggede detektoren med et kommercielt tilgængeligt støberi for at gøre dets applikationer mere tilgængelige. Selvom vi er utroligt begejstrede for implikationerne på tværs af en række kvanteteknologier, er det afgørende, at vi som samfund fortsætter med at tackle udfordring med skalerbar fremstilling af kvanteteknologi.

"Uden at demonstrere virkelig skalerbar fremstilling af kvantehardware, vil virkningen og fordelene ved kvanteteknologi blive forsinket og begrænset."