Ett team av fysiker vid University of Bristol har utvecklat den första integrerade fotonkällan med potential att leverera storskalig kvantfotonik.

Utvecklingen av kvantteknologier lovar att ha en djupgående inverkan inom vetenskapen, teknik och samhälle. Kvantdatorer i stor skala kommer att kunna lösa problem som är svårhanterliga på även de mest kraftfulla nuvarande superdatorerna, med många revolutionerande tillämpningar, till exempel, vid utformning av nya läkemedel och material.

Integrerad kvantfotonik är en lovande plattform för att utveckla kvantteknologier på grund av dess förmåga att generera och kontrollera fotoner – enstaka ljuspartiklar – i miniatyriserade komplexa optiska kretsar. Genom att utnyttja den mogna CMOS-kiselindustrin för tillverkning av integrerade enheter kan kretsar med motsvarande tusentals optiska fibrer och komponenter integreras på ett enda millimeterschip.

Användningen av integrerad fotonik för att utveckla skalbar kvantteknologi är efterfrågad. University of Bristol är en pionjär inom detta område, vilket framgår av ny forskning publicerad i Naturkommunikation .

Dr Stefano Paesani, huvudförfattaren förklarar:

"En viktig utmaning som har begränsat skalningen av integrerad kvantfotonik har varit bristen på källor på chip som kan generera enkla fotoner av hög kvalitet. Utan lågbrusfotonkällor, fel i en kvantberäkning ackumuleras snabbt när kretsens komplexitet ökar, vilket resulterar i att beräkningen inte längre är tillförlitlig. Dessutom, optiska förluster i källorna begränsar antalet fotoner som kvantdatorn kan producera och bearbeta.

"I det här arbetet hittade vi ett sätt att lösa detta och genom att göra det utvecklade vi den första integrerade fotonkällan som är kompatibel med storskalig kvantfotonik. För att uppnå högkvalitativa fotoner, vi utvecklade en ny teknik - "intermodal spontan fyrvågsblandning" - där de många ljuslägena som fortplantar sig genom en kiselvågledare är icke-linjärt interfererade, skapa idealiska förhållanden för att generera enstaka fotoner."

Tillsammans med kollegor vid universitetet i Trento i Italien, teamet baserade på professor Anthony Laings grupp i Bristols Quantum Engineering Technology Labs (QETLabs) jämförde användningen av sådana källor för fotonisk kvantberäkning i ett förebådat Hong-Ou-Mandel-experiment, en byggsten för optisk kvantinformationsbehandling, och erhöll den fotoniska kvantinterferensen på chip av högsta kvalitet som någonsin observerats (96 % synlighet).

Dr. Paesani sa:"Enheten visade överlägset bästa prestanda för alla integrerade fotonkällor:spektral renhet och oskiljaktighet på 99% och> 90 % foton förebådar effektivitet."

Viktigt, Silicon photonic enheten tillverkades via CMOS-kompatibla processer i ett kommersiellt gjuteri, vilket innebär att tusentals källor enkelt kan integreras på en enda enhet. Forskningen, finansierat av Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) Hub in Quantum Computing and Simulation och European Research Council (ERC), representerar ett stort steg mot att bygga kvantkretsar i stor skala och banar väg för flera tillämpningar.

"Vi har löst en kritisk uppsättning brus som tidigare hade begränsat skalningen av fotonisk kvantinformationsbehandling. Till exempel, arrayer av hundratals av dessa källor kan användas för att bygga kortsiktiga brusiga intermediate-scale quantum (NISQ) fotoniska maskiner, där tiotals fotoner kan bearbetas för att lösa specialiserade uppgifter, såsom simulering av molekylär dynamik eller vissa optimeringsproblem relaterade till grafteori."

Nu har forskare tagit fram hur man bygger nästan perfekta fotonkällor, under de närmaste månaderna kommer Silicon-plattformens skalbarhet att tillåta dem att integrera tiotals till hundratals på ett enda chip. Att utveckla kretsar i en sådan skala kommer att göra det möjligt för NISQ fotoniska kvantmaskiner att lösa industriellt relevanta problem utöver dagens superdatorers förmåga.

"Vidare, med avancerad optimering och miniatyrisering av fotonkällan, vår teknik kan leda till feltoleranta kvantoperationer i den integrerade fotonikplattformen, frigöra kvantdatorernas fulla potential, " sa Dr. Paesani.