(Phys.org) – Ett lovande tillvägagångssätt för skalbar kvantberäkning är att använda en helt optisk arkitektur, där qubits representeras av fotoner och manipuleras av speglar och stråldelare. Än så länge, forskare har visat denna metod, kallas Linear Optical Quantum Computing, i mycket liten skala genom att utföra operationer med bara några få fotoner. I ett försök att skala upp denna metod till ett större antal fotoner, forskare i en ny studie har utvecklat ett sätt att helt integrera enfotonkällor i optiska kretsar, skapa integrerade kvantkretsar som kan möjliggöra skalbar optisk kvantberäkning.

Forskarna, Iman Esmaeil Zadeh, Ali W. Elshaari, och medförfattare, har publicerat en artikel om de integrerade kvantkretsarna i en ny utgåva av Nanobokstäver .

Som forskarna förklarar, en av de största utmaningarna inför förverkligandet av ett effektivt linjärt optiskt kvantberäkningssystem är att integrera flera komponenter som vanligtvis är inkompatibla med varandra på en enda plattform. Dessa komponenter inkluderar en enkelfotonkälla såsom kvantprickar; routinganordningar såsom vågledare; anordningar för att manipulera fotoner såsom kaviteter, filter, och kvantportar; och enfotondetektorer.

I den nya studien, forskarna har experimentellt demonstrerat en metod för att bädda in enfotongenererande kvantprickar inuti nanotrådar som, i tur och ordning, är inkapslade i en vågledare. För att göra detta med den höga precision som krävs, de använde en "nanomanipulator" bestående av en volframspets för att överföra och rikta in komponenterna. Väl inne i vågledaren, enstaka fotoner kan väljas och dirigeras till olika delar av den optiska kretsen, där logiska operationer så småningom kan utföras.

"Vi föreslog och demonstrerade en hybridlösning för integrerad kvantoptik som utnyttjar fördelarna med högkvalitativa enfotonkällor med välutvecklad kiselbaserad fotonik, "Zadeh, vid Delft University of Technology i Nederländerna, berättade Phys.org . "Dessutom, den här metoden, till skillnad från tidigare verk, är helt deterministisk, dvs. endast kvantkällor med de valda egenskaperna är integrerade i fotoniska kretsar.

"Det föreslagna tillvägagångssättet kan fungera som en infrastruktur för att implementera skalbara integrerade kvantoptiska kretsar, som har potential för många kvantteknologier. Vidare, Den här plattformen tillhandahåller nya verktyg till fysiker för att studera stark ljus-materia-interaktion på nanoskala och kavitets QED [kvantelektrodynamik]."

En av de viktigaste prestandamåtten för linjär optisk kvantberäkning är kopplingseffektiviteten mellan enfotonkällan och fotonkanalen. En låg verkningsgrad indikerar fotonförlust, vilket minskar datorns tillförlitlighet. Uppställningen här uppnår en kopplingseffektivitet på cirka 24% (vilket redan anses vara bra), och forskarna uppskattar att optimering av vågledardesignen och materialet kan förbättra detta till 92 %.

Förutom att förbättra kopplingseffektiviteten, i framtiden planerar forskarna också att demonstrera intrassling på chip, samt öka komplexiteten hos de fotoniska kretsarna och enfotondetektorerna.

"I sista hand, Målet är att realisera ett helt integrerat kvantnätverk på chip, sade Elshaari, vid Delft Tekniska Högskola och Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Stockholm. "I detta ögonblick finns det många möjligheter, och fältet är inte väl utforskat, men inställning av källor på chip och generering av oskiljbara fotoner är bland utmaningarna som måste övervinnas."

© 2016 Phys.org