Forskare vid University of Bristol har gjort ett viktigt genombrott i skalning av kvantteknologi genom att integrera världens minsta kvantljusdetektor på ett kiselchip. Uppsatsen "A Bi-CMOS electronic photonic internal circuit quantum light detector" publicerades i Science Advances .

Ett kritiskt ögonblick för att låsa upp informationsåldern var när forskare och ingenjörer först kunde miniatyrisera transistorer på billiga mikrochips på 1960-talet.

Nu, för första gången, har akademiker vid University of Bristol demonstrerat integrationen av en kvantljusdetektor – mindre än ett människohår – på ett kiselchip, vilket för oss ett steg närmare kvantteknologiernas tidsålder som använder ljus.

Att göra högpresterande elektronik och fotonik i stor skala är grundläggande för att förverkliga nästa generation av avancerad informationsteknik. Att ta reda på hur man gör kvantteknologier i befintliga kommersiella anläggningar är en pågående internationell ansträngning som tas upp av universitetsforskning och företag runt om i världen.

Det kan visa sig vara avgörande för kvantdatorer att kunna göra högpresterande kvanthårdvara i stor skala på grund av den stora mängd komponenter som förväntas bygga en enda maskin.

I strävan efter detta mål har forskare vid University of Bristol demonstrerat en typ av kvantljusdetektor som är implementerad på ett chip med en krets som upptar 80 mikrometer gånger 220 mikrometer.

Kritiskt sett betyder den lilla storleken att kvantljusdetektorn kan vara snabb, vilket är nyckeln till att låsa upp höghastighets kvantkommunikation och möjliggöra höghastighetsdrift av optiska kvantdatorer.

Användningen av etablerade och kommersiellt tillgängliga tillverkningstekniker hjälper möjligheterna att tidigt införlivas i andra teknologier såsom avkänning och kommunikation.

"Dessa typer av detektorer kallas homodyndetektorer, och de dyker upp överallt i tillämpningar inom kvantoptik", förklarar professor Jonathan Matthews, som ledde forskningen och är chef för Quantum Engineering Technology Labs.

"De fungerar vid rumstemperatur, och du kan använda dem för kvantkommunikation, i otroligt känsliga sensorer - som toppmoderna gravitationsvågsdetektorer - och det finns design av kvantdatorer som skulle använda dessa detektorer."

År 2021 visade Bristol-teamet hur en sammanlänkning av ett fotonikchip med ett separat elektronikchip kan öka hastigheten för kvantljusdetektorer – nu med ett enda elektroniskt-fotoniskt integrerat chip har teamet ytterligare ökat hastigheten med en faktor 10 samtidigt som det minskar fotavtrycket med en faktor 50.

Även om dessa detektorer är snabba och små, är de också känsliga.

"Nyckeln till att mäta kvantljus är känslighet för kvantbrus", förklarar författaren Dr Giacomo Ferranti.

"Kvantmekaniken är ansvarig för en minuts grundläggande brusnivå i alla optiska system. Uppförandet av detta brus avslöjar information om vilken typ av kvantljus som färdas i systemet, det kan avgöra hur känslig en optisk sensor kan vara, och det kan användas för att matematiskt rekonstruera kvanttillstånd I vår studie var det viktigt att visa att att göra detektorn mindre och snabbare inte blockerade dess känslighet för att mäta kvanttillstånd."

Författarna noterar att det finns mer spännande forskning att göra för att integrera annan störande kvantteknologisk hårdvara ner till chipskalan. Med den nya detektorn behöver effektiviteten förbättras, och det finns arbete att göra för att testa detektorn i många olika applikationer.

Professor Matthews tillade, "Vi byggde detektorn med ett kommersiellt tillgängligt gjuteri för att göra dess applikationer mer tillgängliga. Även om vi är otroligt glada över implikationerna för en rad kvantteknologier, är det avgörande att vi som gemenskap fortsätter att ta itu med utmaning med skalbar tillverkning av kvantteknologi.

"Utan att demonstrera verkligt skalbar tillverkning av kvanthårdvara, kommer effekten och fördelarna med kvantteknologi att försenas och begränsas."