Forskare har utvecklat ett topologiskt fotoniskt chip för att bearbeta kvantinformation, utlovar ett mer robust alternativ för skalbara kvantdatorer.

Forskargruppen, ledd av RMIT Universitys Dr. Alberto Peruzzo, har för första gången visat att kvantinformation kan kodas, bearbetas och överförs på avstånd med topologiska kretsar på chipet. Forskningen är publicerad i Vetenskapens framsteg .

Genombrottet kan leda till utveckling av nya material, nya generationens datorer och djupare förståelse för grundläggande vetenskap.

I samarbete med forskare från Politecnico di Milano och ETH Zürich, forskarna använde topologisk fotonik – ett snabbt växande område som syftar till att studera fysik i topologiska faser av materia i ett nytt optiskt sammanhang – för att tillverka ett chip med en "stråldelare" som skapar en fotonisk kvantgrind med hög precision.

"Vi räknar med att den nya chipdesignen kommer att öppna vägen för att studera kvanteffekter i topologiska material och till ett nytt område av topologiskt robust kvantbearbetning inom integrerad fotonikteknik, säger Peruzzo, Chefsutredare vid ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) och direktör, Quantum Photonics Laboratory, RMIT.

"Topologisk fotonik har fördelen att inte kräva starka magnetfält, och har en inneboende hög koherens, rumstemperaturdrift och enkel hantering", säger Peruzzo.

"Detta är väsentliga krav för uppskalning av kvantdatorer."

Att replikera det välkända experimentet Hong-Ou-Mandel (HOM) – som tar två fotoner, ljusets yttersta beståndsdelar, och störa dem enligt kvantmekanikens lagar – teamet kunde använda fotonchippet för att demonstrera, för första gången, att topologiska tillstånd kan genomgå högtro kvantinterferens.

HOM-interferens ligger i hjärtat av optisk kvantberäkning som är mycket känslig för fel. Topologiskt skyddade tillstånd kan ge robusthet till kvantkommunikation, minskande buller och defekter som är vanliga inom kvantteknik. Detta är särskilt attraktivt för optisk kvantinformationsbehandling.

"Tidigare forskning hade fokuserat på topologisk fotonik med "klassiskt" -laserljus, som beter sig som en klassisk våg. Här använder vi enstaka fotoner, som beter sig enligt kvantmekaniken", säger huvudförfattaren Jean-Luc Tambasco, Ph.D. student vid RMIT.

Att demonstrera kvantinterferens med hög kvalitet är en föregångare till att överföra korrekta data med hjälp av enstaka fotoner för kvantkommunikation – en viktig komponent i ett globalt kvantnätverk.

"Detta arbete skär de två blomstrande områdena kvantteknologi och topologiska isolatorer och kan leda till utveckling av nya material, nya generationens datorer och grundläggande vetenskap", säger Peruzzo.

Forskningen är en del av Photonic Quantum Processor Program vid CQC2T. Center of Excellence utvecklar parallella tillvägagångssätt med hjälp av optiska processorer och kiselprocessorer i kapplöpningen för att utveckla det första kvantberäkningssystemet.

CQC2T:s australiensiska forskare har etablerat globalt ledarskap inom kvantinformation. Efter att ha utvecklat unika teknologier för att manipulera materia och ljus på nivån av enskilda atomer och fotoner, laget har visat högsta trohet, längsta koherenstid qubits i fast tillstånd; det längsta livslängda kvantminnet i fast tillstånd; och förmågan att köra småskaliga algoritmer på fotoniska qubits.