Forskere udvikler silicium-chipbaserede kvantefotoniske enheder

Et internationalt forskerteam, tilknyttet UNIST har præsenteret en kerneteknologi til kvantefotoniske enheder, der bruges til behandling af kvanteoplysninger. De har foreslået at kombinere kvantepunkter til generering af lys og silicon fotoniske teknologier til manipulation af lys på en enkelt enhed.

Dette gennembrud er blevet ledet af professor Je-Hyung Kim på School of Natural Science på UNIST i samarbejde med professor Edo Waks og en gruppe forskere ved University of Maryland, Forenede Stater.

I dette studie, forskergruppen demonstrerede integrationen af ​​silicon fotoniske enheder med en solid-state single foton emitter. De brugte en hybrid tilgang, der kombinerede fotoniske siliciumbølgeledere med InAs/InP-kvantepunkter, der fungerer som effektive kilder til enkeltfotoner ved telekombølgelængder, der spænder over O-båndet og C-båndet.

I klassisk computing, lidt er et enkelt stykke information, der kan eksistere i to tilstande, nul eller en. Kvantecomputere bruger kvantebits, der kan indtage en superposition, der omfatter begge på samme tid. Der er flere potentielt frugtbare tilgange til behandling af kvanteoplysninger, inklusive atom, lys, og superledende enheder. Imidlertid, fremtiden for quantum computing, ligesom kvantetilstanden selv, forbliver usikker. Professor Kim fokuserer på kvanteinformationsbehandling ved hjælp af lys. Quantum bits kan implementeres ved hjælp af den polariserede tilstand af lys, dens varighed, og ruteinformation, ligner elektronspins.

En nyligt udviklet kvante lyskilde udviser egenskaberne ved kvantefysik, herunder superpositionen, kvanteforvikling, og ikke-kloning sætning. Dette har muliggjort innovative applikationsteknologier, såsom kvantesimulatorer, kvante tilstandsoverførsel, og kvantekryptografi. Imidlertid, for at kommercialisere de teknologier, der bruges til den faktiske teknologi til behandling af kvanteoplysninger, det er nødvendigt at udføre kvanteoptiske eksperimenter direkte på den fotoniske enhed. Ifølge forskerholdet, sådan innovation kunne være forløberen for kvantekredsløb, som forventes at spille en stor rolle i fremtiden for kvantecomputere og kommunikation.

"For at bygge fotonbaserede integrerede kvanteoptiske enheder, det er nødvendigt at producere så mange kvante lyskilder som muligt i en enkelt chip, "siger professor Kim." Gennem denne undersøgelse, Vi har foreslået den grundlæggende form for kvanteoptiske apparater ved at producere meget effektiv kvante lyskilde med kvantepunkter og skabe vejen til at manipulere lys ved hjælp af siliciumsubstrater. "

Quantum dots er ultrafine partikler eller nanokrystaller af et halvledermateriale med diametre i området to til 10 nanometer (Et nanometer er en milliarddel af en meter). Generelt, kvanteprikker har form af forbindelser. Imidlertid, når størrelsen falder, de begynder at udvise en diskontinuerlig energistruktur, hvilket resulterer i at have lignende egenskaber som det lys, der udsendes af atomer. Selvom kvantepunkter er blevet brugt med succes som yderst effektive enkeltfotonkilder, de havde svært ved at kontrollere lyset.

I undersøgelsen, forskergruppen demonstrerede integrationen af ​​silicon fotoniske enheder med en solid-state single foton emitter. Her, de brugte en hybrid tilgang, der kombinerer silicon fotoniske bølgeledere med InAs/InP kvantepunkter, der fungerer som effektive kilder til enkelte fotoner ved telekommunikationsbølgelængder, der spænder over O-båndet og C-båndet. Derefter fjernede de kvanteprikkerne via en pick-and-place-procedure med en mikroprobespids kombineret med en fokuseret ionstråle og scanningselektronmikroskop. Denne teknik tillod overførsel af koniske InP-nanobeams indeholdende InAs-kvantepunkter til en siliciumbølgeleder med nanometer-præcision.

"Denne integration åbner mulighed for at udnytte de meget avancerede fotonikfunktioner, der er udviklet i silicium, til at styre og lede ikke-klassisk lys fra on-demand-enkeltkilder, "noterer forskergruppen." Desuden de fremstillede enheder fungerer ved telekombølgelængder og kan drives elektrisk, som er nyttige til fiberbaseret kvantekommunikation. "

Den kvanteoptiske enhed, udviklet af forskergruppen har med succes overført emissionen fra kvanteprikkerne langs silicon fotoniske kredsløb med høj effektivitet. Ved hjælp af dette, de har også med succes inkorporeret en on-chip silicium-fotonisk stråleplitter til at udføre en Hanbury-Brown og Twiss-måling.

"Vores fremgangsmåde kunne muliggøre integration af forudkarakteriserede III-V-kvantefotoniske enheder i store fotoniske strukturer for at muliggøre komplekse enheder sammensat af mange emittere og fotoner, "siger professor Kim.