Kvanteberegning med enkelte fotoner, der kommer tættere på virkeligheden

(Phys.org) – En lovende tilgang til skalerbar kvanteberegning er at bruge en helt optisk arkitektur, hvor qubits er repræsenteret af fotoner og manipuleret af spejle og stråledelere. Indtil nu, forskere har demonstreret denne metode, kaldet Linear Optical Quantum Computing, i meget lille skala ved at udføre operationer med blot nogle få fotoner. I et forsøg på at skalere denne metode op til et større antal fotoner, forskere i en ny undersøgelse har udviklet en måde til fuldt ud at integrere enkelt-foton-kilder inde i optiske kredsløb, skabe integrerede kvantekredsløb, der muliggør skalerbar optisk kvanteberegning.

Forskerne, Iman Esmaeil Zadeh, Ali W. Elshaari, og medforfattere, har udgivet et papir om de integrerede kvantekredsløb i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Som forskerne forklarer, en af ​​de største udfordringer ved realiseringen af ​​et effektivt lineært optisk kvanteberegningssystem er at integrere flere komponenter, der normalt er inkompatible med hinanden, på en enkelt platform. Disse komponenter inkluderer en enkelt-fotonkilde, såsom kvanteprikker; routing-enheder såsom bølgeledere; enheder til at manipulere fotoner såsom hulrum, filtre, og kvanteporte; og enkeltfoton-detektorer.

I den nye undersøgelse, forskerne har eksperimentelt demonstreret en metode til at indlejre enkelt-foton-genererende kvantepunkter inde i nanotråde, der, på tur, er indkapslet i en bølgeleder. For at gøre dette med den høje præcision, der kræves, de brugte en "nanomanipulator" bestående af en wolframspids til at overføre og justere komponenterne. En gang inde i bølgelederen, enkelte fotoner kunne udvælges og dirigeres til forskellige dele af det optiske kredsløb, hvor logiske operationer til sidst kan udføres.

"Vi foreslog og demonstrerede en hybridløsning til integreret kvanteoptik, der udnytter fordelene ved højkvalitets enkeltfotonkilder med veludviklet siliciumbaseret fotonik, "Zadeh, ved Delft University of Technology i Holland, fortalte Phys.org . "Desuden denne metode, i modsætning til tidligere værker, er fuldstændig deterministisk, dvs. kun kvantekilder med de valgte egenskaber er integreret i fotoniske kredsløb.

"Den foreslåede tilgang kan tjene som en infrastruktur til implementering af skalerbare integrerede kvanteoptiske kredsløb, som har potentiale for mange kvanteteknologier. Desuden, denne platform giver nye værktøjer til fysikere til at studere stærk lys-stof interaktion på nanoskala og hulrum QED [kvanteelektrodynamik]."

En af de vigtigste præstationsmålinger for lineær optisk kvanteberegning er koblingseffektiviteten mellem enkeltfotonkilden og fotonisk kanal. En lav effektivitet indikerer foton tab, hvilket reducerer computerens pålidelighed. Opsætningen her opnår en koblingseffektivitet på omkring 24% (hvilket allerede anses for godt), og forskerne vurderer, at optimering af bølgelederdesignet og materialet kan forbedre dette til 92%.

Ud over at forbedre koblingseffektiviteten, i fremtiden planlægger forskerne også at demonstrere sammenfiltring på chip, samt øge kompleksiteten af ​​de fotoniske kredsløb og enkeltfoton-detektorer.

"Ultimativt, målet er at realisere et fuldt integreret kvantenetværk on-chip, " sagde Elshaari, ved Delft University of Technology og Royal Institute of Technology (KTH) i Stockholm. "I øjeblikket er der mange muligheder, og feltet er ikke godt udforsket, men on-chip tuning af kilder og generering af uadskillelige fotoner er blandt de udfordringer, der skal overvindes."

© 2016 Phys.org