Forskare har utvecklat en ny CMOS-kompatibel fotonkälla av kiselfotonik som uppfyller alla krav som krävs för storskalig fotonisk kvantberäkning. Forskningen representerar ett betydande steg mot masstillverkningsbara ideala enfotonkällor.
Det finns en utbredd ansträngning för att utveckla chipbaserade kvantdatorer eftersom de mogna CMOS-tillverkningsprocesserna som används för att tillverka dagens datorchips avsevärt kan sänka kostnaderna för storskalig kvantinformationsbehandling. Även om forskare har visat många av de komponenter som behövs för att göra kvantdatorer i kiselchips, en enskild fotonkälla på chip har visat sig vara utmanande på grund av det höga kravet på att skapa fotoner av hög kvalitet.
Stefano Paesani från University of Bristol i Storbritannien kommer att presentera den nya forskningen vid det helt virtuella OSA Gränser inom optik och Laser Science APS/DLS (FiO + LS) konferens som hålls 14—17 september.
"Genom att demonstrera lågbrusfotonkällor som samtidigt uppfyller alla krav för storskaliga fotoniska kvantdatorer, vi har övervunnit en avgörande utmaning som hade begränsat skalningen av kvantfotonteknik, ", sade Paesani. "Teknikerna som utvecklats i detta arbete skulle kunna påskynda utvecklingen av masstillverkbara kvantteknologier i chipskala med flera år. Sådana teknologier lovar enorma beräkningskvanthastigheter, ovillkorligt säker kommunikation, och kvantförstärkta sensorer."
Skapa kvalitetsfoton
Som namnet antyder, enfotonkällor avger ljus som enstaka fotoner. De är en nyckelkomponent i optiska kvantdatorer, som använder fotonerna för att bära data i form av qubits. Qubits kan vara i två tillstånd samtidigt och kommer att störa, eller korrelera, med varandra, gör att många processer kan utföras samtidigt.
Enfotonkällor som används vid kvantberäkning har mycket krävande krav. De måste vara mycket omöjliga och rena, antingen nära deterministisk eller mycket effektiv, och lämplig för masstillverkning. För att uppfylla alla dessa krav, Paesani och medarbetare designade en ny enfotonkälla baserad på intermodal spontan fyra-vågsblandning i en multi-mode kiselvågledare.
Det intermodala tillvägagångssättet för on-chip fotonkällor, där ett samspel mellan flera optiska pumpfält används för att generera fotoner, möjliggör nya frihetsgrader för att kontrollera fotonemissionen. Genom att skräddarsy geometrin hos en vågledare i flera lägen med låg förlust och tidsfördröjningen på chipet mellan pumpfälten, forskargruppen visade att egenskaperna hos den spontana fotonemissionen kunde konstrueras för att uppnå nära idealiska fotoner.
För att testa den nya designen, forskarna tillverkade enfotonenheter på standard kisel-på-isolator med hjälp av CMOS-kompatibla litografiprocesser på en kommersiell wafer. Tester av enheterna visade att multi-mode-vågledarna avsevärt minskade överföringsförlusterna, vilket möjliggör en inneboende verkningsgrad för källan på cirka 90 %. En hög förebådande effektivitet är nödvändig för att skala upp kvantbearbetning.
Forskarna utförde också fotoninterferens på chip, vilket är viktigt för kvantberäkningar. Dessa experiment gav en synlighet för rådata på 96 %, den högsta rapporterade hittills inom integrerad fotonik. Denna prestation möjliggör on-chip kvantoperationer mellan fotoner med en aldrig tidigare skådad precisionsnivå, öppnar möjligheten att skala upp fotonbearbetning med låg brus i kortsiktiga kvantfotoniska enheter.
Forskarna säger att enfotonkällan skulle kunna förbättras ytterligare med en bättre pumplaser och genom att använda en mer enhetlig tillverkningsprocess.
