Transistorer är små omkopplare som utgör grunden för modern datoranvändning; miljarder av dem dirigerar elektriska signaler runt i en smartphone, till exempel.
Kvantdatorer kommer att behöva analog hårdvara för att manipulera kvantinformation. Men designbegränsningarna för denna nya teknik är stränga, och dagens mest avancerade processorer kan inte återanvändas som kvantenheter. Det beror på att kvantinformationsbärare, dubbade qubits, måste följa olika regler som fastställts av kvantfysiken.
Forskare kan använda många typer av kvantpartiklar som qubits, även fotoner som utgör ljus. Fotoner har lagt till attraktivitet eftersom de snabbt kan transportera information över långa avstånd, och de är kompatibla med tillverkade chips. Dock, att göra en kvanttransistor utlöst av ljus har varit utmanande eftersom det kräver att fotonerna interagerar med varandra, något som vanligtvis inte händer av sig självt.
Nu, forskare vid University of Marylands A. James Clark School of Engineering och Joint Quantum Institute (JQI) – ledd av professor i elektro- och datorteknik, JQI-stipendiat, och Institutet för forskning inom elektronik och tillämpad fysik affiliate Edo Waks—har röjt detta hinder och demonstrerat den första enkelfotontransistorn med hjälp av ett halvledarchip. Enheten, beskrivs i 6 juli-numret av Vetenskap , är kompakt; ungefär en miljon av dessa nya transistorer kunde passa in i ett enda saltkorn. Den är också snabb och kan bearbeta 10 miljarder fotoniska qubits varje sekund.
"Med vår transistor, vi borde kunna utföra kvantportar mellan fotoner, " säger Waks. "Programvara som körs på en kvantdator skulle använda en serie sådana operationer för att uppnå exponentiell hastighet för vissa beräkningsproblem.
Det fotoniska chippet är tillverkat av en halvledare med många hål i den, får det att se ut som en bikaka. Ljus som kommer in i chippet studsar runt och fångas av hålmönstret; en liten kristall som kallas en kvantprick sitter inne i det område där ljusintensiteten är som starkast. Analogt med konventionellt datorminne, punkten lagrar information om fotoner när de kommer in i enheten. Punkten kan effektivt utnyttja det minnet för att förmedla fotoninteraktioner – vilket betyder att en fotons handlingar påverkar andra som senare kommer fram till chippet.
"I en enkelfotontransistor måste kvantpunktsminnet bestå tillräckligt länge för att interagera med varje fotonisk qubit, " säger Shuo Sun, huvudförfattare till det nya arbetet och postdoktor vid Stanford University som var UMD-student vid tidpunkten för forskningen. "Detta tillåter en enskild foton att byta en större ström av fotoner, vilket är viktigt för att vår enhet ska betraktas som en transistor."
För att testa att chippet fungerade som en transistor, forskarna undersökte hur enheten reagerade på svaga ljuspulser som vanligtvis bara innehöll en foton. I en normal miljö, sådant svagt ljus kanske knappt registreras. Dock, i den här enheten, en enda foton fastnar under lång tid, registrera sin närvaro i den närliggande punkten.
Teamet observerade att en enda foton kunde, genom att interagera med punkten, styra överföringen av en andra ljuspuls genom enheten. Den första ljuspulsen fungerar som en nyckel, öppna dörren för att den andra fotonen ska komma in i chipet. Om den första pulsen inte innehöll några fotoner, punkten blockerade efterföljande fotoner från att komma igenom. Detta beteende liknar en konventionell transistor där en liten spänning styr passagen av ström genom dess terminaler. Här, forskarna ersatte framgångsrikt spänningen med en enda foton och visade att deras kvanttransistor kunde koppla om en ljuspuls som innehåller cirka 30 fotoner innan kvantpunktens minne tog slut.
Waks säger att hans team var tvungna att testa olika aspekter av enhetens prestanda innan de fick transistorn att fungera. "Tills nu, vi hade de individuella komponenterna som var nödvändiga för att göra en enkelfotontransistor, men här kombinerade vi alla steg till ett enda chip, " han säger.
Sun säger att med realistiska tekniska förbättringar kan deras tillvägagångssätt tillåta många kvantljustransistorer att länkas samman. Teamet hoppas att så snabbt, högt uppkopplade enheter kommer så småningom att leda till kompakta kvantdatorer som bearbetar ett stort antal fotoniska qubits.
