Ett fotoniskt chip med inte mindre än 128 avstämbara komponenter visar sig vara en riktig "schweizisk armékniv" med en mängd olika tillämpningar. Under hennes forskning om att mäta ljusvåglängder med detta fotoniska chip, Caterina Taballione från University of Twente stötte på ännu en applikation utan tvekan – genom att skicka enstaka fotoner genom systemet istället för kontinuerligt ljus, de optiska komponenterna kan utföra kvantoperationer, också. Samma chip fungerar som en fotonisk kvantprocessor.

Att manipulera ljus på ett chip är nu möjligt på en mycket avancerad nivå, speciellt genom att använda kombinationer av material. Forskare kan bygga optiska vågledare med mycket låga förluster med hjälp av kiselnitrid, eller mycket smala laserljuskällor som använder indiumfosfid. Chipet Caterina Taballione presenterar i sin avhandling innehåller många komponenter som antingen kan dela eller kombinera ljuset i och från separata kanaler, liknar en bangård. Den har även ringformade resonatorer som kan fungera som ett filter. Styrkan ligger i att komponenterna kan styras utifrån, gör chippet flexibelt och programmerbart. Den har även tillämpningar inom kvantfotonik.

Temperaturkontroll

Komponenterna styrs via temperatur. Chipet har många så kallade Mach-Zehnder-interferometrar som kan dela ljus från en till två ljusledande kanaler — vågledare. Innan båda kanalerna går med igen, en av dem kan styras genom att tillämpa en temperaturvariation. Resultatet är att signalerna från båda kanalerna inte är desamma:De har olika faser. De ringformade komponenterna kan också temperaturstyras. På det här sättet, Taballione kunde presentera ett mycket exakt sätt att mäta ljusets våglängder. För detta, hon kombinerar temperaturkontrollen till ett artificiellt neuralt nätverk.

5G

Systemet är mycket omkonfigurerbart. Detta gör den tillämpbar i den kommande 5G-mobilstandarden. I denna standard, trådlösa signaler måste riktas från en basstation till en användare mycket exakt. Beräkna den bästa kombinationen av antenner för att göra detta, kallas "balkformning, " är vanligtvis en uppgift som det nya chippet kan utföra snabbt, med hög energieffektivitet.

Kvantbearbetning

Dessa är alla kraftfulla applikationer som visar fotonchippets potential. Men hur är det med fallet med separat detekterbara enstaka fotoner vid ingångarna istället för en kontinuerlig ljuskälla? Isåfall, komponenterna stödjer typiska kvanteffekter som koalescens, intrassling och överlagring. Fotonerna som detekteras vid utgångarna är resultatet av kvantbearbetning med hjälp av komponenternas temperaturkontroll. Även om en enskild fotonljuskälla och detektor vanligtvis arbetar vid låga temperaturer, själva kvantprocessorn arbetar vid rumstemperatur.

Kvantberäkning med fotoner, därför, har en fördel jämfört med användningen av qubits, som bara fungerar vid mycket kalla temperaturer. Detta gör chippet till en kraftfull plattform för kvantexperiment, speciellt när antalet ingångar och utgångar utökas ytterligare, och sålunda, antalet komponenter. Att inkludera en enda fotonljuskälla och detektor skulle också göra systemet mer kraftfullt. De inblandade UT-forskarna grundade därför ett nytt företag som heter QuiX, att göra chipet allmänt tillgängligt för andra forskare och FoU-avdelningar.