Ett internationellt team av kvantforskare och ingenjörer som leds av University of Bristol och involverar grupper från Kina, Danmark, Spanien, Tyskland och Polen, har realiserat en avancerad storskalig kvantfotonisk enhet som kan trassla ihop fotoner till otrolig precision.

Medan standardkvanthårdvara trasslar in partiklar i två tillstånd, laget har hittat ett sätt att generera och trassla ihop partiklar som var och en har 15 tillstånd.

Det integrerade fotoniska chipet sätter en ny standard för komplexitet och precision för kvantfotonik, med omedelbara tillämpningar för kvantteknik.

Integrerad kvantfotonik möjliggör dirigering och kontroll av enstaka ljuspartiklar med inneboende hög stabilitet och precision, men hittills har det begränsats till småskaliga demonstrationer där endast ett litet antal komponenter är integrerade på ett chip.

Att skala upp dessa kvantkretsar är av yttersta vikt för att öka komplexiteten och beräkningskraften i modern teknik för kvantinformationsbehandling, öppnar möjligheten för många revolutionerande applikationer.

Laget, ledd av forskare från University of Bristols Quantum Engineering Technology Laboratories (QET Labs) har visat den första storskaliga integrerade kvantfotoniska kretsen någonsin, som integrerar hundratals viktiga komponenter, kan generera, kontrollera och analysera högdimensionell trassel med en oöverträffad precision.

Kvantchipet realiserades med hjälp av en skalbar fotonikonsteknik av kisel, liknande dagens elektroniska kretsar, vilket skulle ge en väg att tillverka massiva komponenter för realisering av en optisk kvantdator.

Arbetet, i samarbete med Peking University, Danmarks tekniska universitet (DTU), Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO), Max Planck Institute, Centrum för teoretisk fysik vid polska vetenskapsakademin, och Köpenhamns universitet, har publicerats idag i tidningen Vetenskap .

Den sammanhängande och exakta kontrollen av stora kvantanordningar och komplexa flerdimensionella intrasslingssystem har varit en utmanande uppgift på grund av de komplexa interaktionerna av korrelerade partiklar i stora kvantsystem. Betydande framsteg mot förverkligandet av storskaliga kvantanordningar har nyligen rapporterats på en mängd olika plattformar, inklusive fotoner, superledare, joner, prickar och defekter.

Särskilt, fotonik representerar ett lovande tillvägagångssätt för att naturligt koda och bearbeta flerdimensionella qudit -tillstånd i fotonens olika frihetsgrader.

I det här arbetet, ett programmerbart vägkodat flerdimensionellt intrasslat system med dimension upp till 15 × 15 visas, där två foton existerar över 15 optiska vägar samtidigt och är intrasslade med varandra.

Denna flerdimensionella intrassling uppnås genom att utnyttja kisel-fotoniska kvantkretsar, integrering i ett enda chip, 550 optiska komponenter, inklusive 16 identiska fotonparkällor, 93 optiska fasskiftare, 122 balkdelare.

Huvud författare, Dr Jianwei Wang, sade:"Det är mognaden för dagens kisel-fotonik som gör att vi kan skala upp tekniken och nå en storskalig integration av kvantkretsar.

"Detta är det vackraste med kvantfotonik på kisel. Vårt kvantchip tillåter oss att nå oöverträffade nivåer av precision och kontroll av flerdimensionell intrassling, en nyckelfaktor i många kvantinformationsuppgifter för beräkning och kommunikation. "

Seniorforskare, motsvarande författare Yunhong Ding från DTU, Center for Silicon Photonics for Optical Communication (SPOC), tillade:"Ny teknik möjliggör alltid nya applikationer.

"Möjligheterna hos våra integrerade tekniker för kiselfotonik på DTU möjliggör storskalig, mycket stabila kvantinformationsbehandlingschips, vilket gör att vi kan observera högkvalitativa flerdimensionella kvantkorrelationer inklusive generaliserade Bell- och EPR-styrkränkningar, och även för att genomföra experimentellt outforskade flerdimensionella kvantprotokoll:flerdimensionell slumpmässig expansion och statlig självtestning. "

Dr Anthony Laing, en ledande akademiker i Bristols QETLabs och motsvarande författare, sade:"Förträngning är en fascinerande egenskap hos kvantmekanik och en som vi ännu inte helt förstår. Denna enhet och framtida generationer av chips med ökande komplexitet och sofistikering kommer att tillåta oss att utforska detta område av kvantvetenskap och göra nya upptäckter."

Professor Mark Thompson, ledare för Bristol -teamet, tillade:"Vi har använt samma tillverkningsverktyg och tekniker som utnyttjas i dagens mikroelektronikindustri för att förverkliga vårt kiselkvantfotoniska mikrochip. Men till skillnad från konventionella elektroniska kretsar som använder elektronernas klassiska beteende, våra kretsar utnyttjar kvantegenskaperna hos en enda partikel av ljus. Denna kisel fotonik metod för kvantteknik ger en tydlig väg till att skala upp till de många miljoner komponenter som i slutändan behövs för storskaliga kvantberäkningsapplikationer. "