Kvantinformationsvetenskap är verkligen fascinerande - par av små partiklar kan intrasslas så att en operation på endera kommer att påverka dem båda även om de är fysiskt åtskilda. En till synes magisk process som kallas teleportering kan dela information mellan olika avlägsna kvantsystem.

Dessa olika system kan kopplas med hjälp av kvantprocesser för att bilda kvantkommunikationsnätverk. Säker kommunikation, distribuerad kvantberäkning och kvantavkänning är bara några av de anmärkningsvärda potentiella tillämpningarna.

Genom mer än tre decennier av Quantum 2.0 – perioden av kvant-FoU som täcker utvecklingen av kvantenheter, system och protokoll för att generera och använda kvantentanglement – ​​krävde de allra flesta experiment skrymmande optik och specialiserade inriktningsscheman som ofta spänner över stora optiska specialändamål. bord som är pneumatiskt flytande för att undvika de minsta mekaniska vibrationerna.

På ungefär samma sätt som integrerad elektronik med miniatyriserad kisel möjliggjorde utvecklingen av datorprocessorer från sammansättningar i stora rumsskala av kondensatorer, rör och magneter till små men kraftfulla mikrochips som innehöll miljontals och åter miljoner komponenter som vår moderna och "smarta" teknologi är baserad på; kvantkomponenter och processer måste miniatyriseras med hjälp av integrerad optik för att bana väg för storskalig utbyggnad och användning av kvantinformationsvetenskap bortom laboratorieskalaexperiment och mot verklig användning.

Kiselkarbid (SiC) är en ledande plattform för integrerade processer – som har drivits på under de senaste åren genom dess användning i de integrerade elektroniska systemen för gröna teknologier såsom elektriska fordon. Denna applikation har lett till betydande förbättringar av kvaliteten på SiC-skivor, basformatet för att skapa integrerade enheter.

Inom kvantvetenskapens rike har SiC dykt upp som ett lovande material för Integrated Quantum Photonics (IQP), som övervinner skalbarhetsproblem som ses i andra material som kisel. SiC:s unika egenskaper gör den idealisk för integrerade kvantoptiska processer, men utmaningarna kvarstår när det gäller att utnyttja dess fulla potential. De senaste genombrotten för att generera intrasslade fotoner på SiC-mikrochips markerar ett betydande steg mot att låsa upp dess kapacitet för praktiska kvanttillämpningar.

I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications , har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, MD och vid Carnegie Mellon University of Pittsburg, PA rapporterat den första demonstrationen av en chip-skala intrasslad fotonkälla i SiC.

Enheten implementeras av en icke-linjär process av hög ordning känd som spontan fyrvågsblandning (SFWM) med hjälp av en integrerad optisk mikroringsresonator mönstrad på en 4H-SiC-på-isolatorplattform.

Experimentet är utformat så att fotonparen (signal och tomgång) har telekomvåglängden och är idealiska för att sändas i optiska fibrer (vilket är viktigt för kvantkommunikation och kvantnätverk) och skapas på ett sådant sätt att de trasslas in. i tid och energi (känd som tids-energi-entanglement). Forskarna rapporterar att de genererar intrasslade fotonpar av hög kvalitet och hög renhet.

Dessa forskare sammanfattar funktionerna hos den nya enheten och anger "Våra resultat, inklusive ett maximalt förhållande mellan tillfällighet och olycka> 600 för en fotonparhastighet på (9 ± 1) × 10 ³ par/s och en pumpeffekt på 0,17 mW, en känd ???? ⁽²⁾ (0) i storleksordningen 10 ^-3 , och synlighet av en interferenskant med två foton som överstiger 99 % visar otvetydigt att integrerade SiC-baserade enheter kan vara genomförbara för chip-skala kvantinformationsbehandling. Dessutom är dessa resultat jämförbara med de som erhålls från mer mogna integrerade fotoniska plattformar som kisel."

"Vi tror att vår studie ger starkt stöd till konkurrenskraften hos 4H-SiC-on-isolator-plattformen för kvanttillämpningar. Till exempel kan den påvisade intrasslade fotonkällan lätt distribueras i ett fiberoptiskt nätverk för kvantkommunikation.

"Dessutom, genom att justera våglängden för tomgångsfotonen till nollfononlinjen för olika färgcentra som finns i SiC, kan vi skapa intrassling mellan signalfotonen och spinntillståndet. Denna våglängdsjusteringsprocess kan också integreras och implementeras antingen genom chip-skala dispersion engineering eller frekvensomvandling," tillade de.

Framtiden för SiC-baserad integrerad optik är verkligen lovande eftersom forskarna säger att "alla dessa möjligheter pekar på en ljus framtid för SiC-baserad kvantfotonik genom att möjliggöra integrationen av en mängd chip-skala kvantfotoniska och elektriska processer med färg center för olika applikationer."