Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras medarbetare har tagit ett nytt steg framåt i strävan att bygga kvantfotoniska kretsar-chipbaserade enheter som förlitar sig på ljusets kvantegenskaper för att bearbeta och kommunicera information snabbt och säkert .

Kvantkretsarkitekturen som tagits fram av teamet är bland de första som kombinerar två olika typer av optiska enheter, gjorda av olika material, på ett enda chip – en halvledarkälla som effektivt genererar enstaka ljuspartiklar (fotoner) vid behov, och ett nätverk av "vågledare" som transporterar dessa fotoner över kretsen med låg förlust. Maximera antalet fotoner, helst med identiska egenskaper, är avgörande för att möjliggöra applikationer som säker kommunikation, precisionsmätning, avkänning och beräkning, med potentiellt högre prestanda än befintlig teknik.

Arkitekturen, utvecklat av Marcelo Davanco och andra NIST -forskare tillsammans med medarbetare från Kina och Storbritannien, använder en halvledarstruktur i nanometerskala som kallas en kvantpunkt – gjord av indiumarsenid – för att generera individuella fotoner på samma chip som de optiska vågledarna – gjorda av kiselnitrid. Att kombinera dessa två material kräver speciell bearbetningsteknik. Sådana hybridkretsarkitekturer kan bli byggstenar för mer komplexa system.

Tidigare, kvantintegrerade fotoniska kretsar bestod vanligtvis av endast passiva enheter såsom vågledare och stråldelare, som släppte igenom fotoner eller tillät dem att samlas. Fotonerna själva måste fortfarande produceras utanför chipet, och att få dem på chipet resulterade i förluster, vilket signifikant försämrade kretsens prestanda. Kretsarkitekturer som inkluderade kvantljusgenerering på ett chip antingen inkorporerade källor som endast producerade fotoner slumpmässigt och med låga hastigheter - vilket begränsar prestanda - eller hade källor där en foton inte nödvändigtvis var identisk med nästa. Dessutom, tillverkningsprocesserna som stöder dessa tidigare arkitekturer gjorde det svårt att skala upp antalet, storleken och komplexiteten hos de fotoniska kretsarna.

I kontrast, den nya arkitekturen och tillverkningsprocesserna som teamet utvecklat ska göra det möjligt för forskare att på ett tillförlitligt sätt bygga större kretsar, som kan utföra mer komplexa beräkningar eller simuleringar och översätta till högre mätprecision och detekteringskänslighet i andra applikationer.

Den kvantpunkt som teamet använder är en välstuderad nanometer-struktur:en ö med halvledaren indiumarsenid omgiven av galliumarsenid. Nanostrukturen indiumarsenid/galliumarsenid fungerar som ett kvantsystem med två energinivåer - ett grundtillstånd (lägre energinivå) och ett exciterat tillstånd (högre energinivå). När en elektron i exciterat tillstånd förlorar energi genom att falla ner till marktillståndet, den avger en enda foton.

Till skillnad från de flesta typer av tvånivåsändare som finns i fast tillstånd, dessa kvantprickar har visat sig generera - pålitligt, på begäran, och i stora takt - de enda fotoner som behövs för kvantapplikationer. Dessutom, forskare har kunnat placera dem i nanoskala, ljusbegränsande utrymmen som gör det möjligt att snabba upp enfotonemissionshastigheten, och i princip kan också tillåta kvantpunkten att exciteras av en enda foton. Detta gör det möjligt för kvantprickarna att direkt hjälpa till med behandling av information snarare än att helt enkelt producera strömmar av fotoner.

Den andra delen av teamets hybridkretsarkitektur består av passiva vågledare gjorda av kiselnitrid, kända för sin förmåga att överföra fotoner över ett chips yta med mycket låg fotonförlust. Detta tillåter kvantpunktsgenererade fotoner att effektivt sammansmälta med andra fotoner vid en stråldelare, eller interagera med andra kretselement såsom modulatorer och detektorer.

"Vi får det bästa av två världar, med var och en som beter sig riktigt bra tillsammans på en enda krets, "sa Davanco. Faktum är att hybridarkitekturen håller den höga prestanda som uppnås i enheter som uteslutande är gjorda av vart och ett av de två materialen, med liten nedbrytning när de sätts ihop. Han och hans kollegor beskrev arbetet i ett nyligen utgåva av Naturkommunikation .

För att göra hybridenheter, Davanco och hans kollegor sammanfogade först två skivor - en som innehåller kvantprickarna, den andra innehåller vågledarmaterialet av kiselnitrid. De använde en variant av en process som ursprungligen hade utvecklats för att göra hybridfotoniska lasrar, som kombinerade kisel för vågledare och sammansatta halvledare för klassiskt ljusemission. När bindningen var klar, de två materialen skulpterades sedan med nanometer-upplösning i sina slutliga geometrier genom toppmoderna halvledaranordningar och etsningstekniker.

Även om denna skivbindningsteknik utvecklades för mer än ett decennium sedan av andra forskare, teamet är det första som tillämpar det för att göra integrerade kvantfotoniska enheter.

"Eftersom vi har expertis inom både tillverkning och kvantfotonik, det verkade klart att vi kunde låna och anpassa denna process för att skapa denna nya arkitektur, "konstaterar Davanco.

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.