Ett internationellt team av forskare, anslutet till UNIST har presenterat en kärnteknologi för kvantfotoniska enheter som används vid kvantinformationsbehandling. De har föreslagit att kombinera kvantpunkter för att generera ljus och kisel fotonisk teknik för att manipulera ljus på en enda enhet.

Detta genombrott har letts av professor Je-Hyung Kim vid Naturhögskolan vid UNIST i samarbete med professor Edo Waks och en grupp forskare vid University of Maryland, Förenta staterna.

I den här studien, forskargruppen demonstrerade integrationen av kisel fotoniska enheter med en solid-state single foton emitter. De använde en hybridmetod som kombinerar fotoniska kiselvågledare med InAs/InP-kvantpunkter som fungerar som effektiva källor för enstaka fotoner vid telekomvåglängder som spänner över O-bandet och C-bandet.

I klassisk databehandling, lite är en enda information som kan finnas i två stater, noll eller en. Kvantdatorer använder kvantbitar som kan inta en superposition som omfattar båda samtidigt. Det finns flera potentiellt givande tillvägagångssätt för behandling av kvantinformation, inklusive atom, ljus, och supraledande enheter. Dock, framtiden för kvantberäkning, som själva kvanttillståndet, förblir osäker. Professor Kim fokuserar på kvantinformationsbehandling med hjälp av ljus. Kvantbitar kan implementeras med hjälp av det polariserade ljuset, dess varaktighet, och ruttinformation, liknande elektronspinn.

En nyligen utvecklad kvantljuskälla uppvisar egenskaperna hos kvantfysik, inklusive superpositionen, kvantsammanflätning, och icke-klonande sats. Detta har möjliggjort innovativ applikationsteknik, såsom kvantsimulatorer, kvanttillståndsöverföring, och kvantkryptografi. Dock, för att kommersialisera den teknik som används för den faktiska tekniken för kvantinformationsbehandling, det är nödvändigt att utföra kvanteoptiska experiment direkt på den fotoniska enheten. Enligt forskargruppen, sådan innovation kan vara föregångaren till kvantkretsar, som förväntas spela en stor roll i framtiden för kvantdatorer och kommunikation.

"För att bygga fotonbaserade integrerade kvantoptiska enheter, det är nödvändigt att producera så många kvantljuskällor som möjligt i ett enda chip, "säger professor Kim." Genom denna studie, Vi har föreslagit grundformen för kvantoptiska enheter genom att producera mycket effektiv kvantljuskälla med kvantprickar och skapa vägen för att manipulera ljus med hjälp av kiselsubstrat. "

Kvantprickar är ultrafina partiklar eller nanokristaller av ett halvledarmaterial med diametrar i intervallet två till 10 nanometer (En nanometer är en miljarddels meter). I allmänhet, kvantprickar har formen av föreningar. Dock, när storleken minskar, de börjar uppvisa en diskontinuerlig energistruktur, vilket resulterar i att de har liknande egenskaper som det ljus som avges från atomer. Även om kvantpunkter har använts framgångsrikt som mycket effektiva enfotonkällor, de hade svårt att kontrollera ljuset.

I studien, forskargruppen demonstrerade integrationen av kisel fotoniska enheter med en solid-state single foton emitter. Här, de använde en hybridmetod som kombinerar fotoniska kiselvågledare med InAs/InP-kvantpunkter som fungerar som effektiva källor till enstaka fotoner vid telekomvåglängder som spänner över O-bandet och C-bandet. Sedan tog de bort kvantprickarna via en plock-och-plats-procedur med en mikroprobespets i kombination med en fokuserad jonstråle och skanningselektronmikroskop. Denna teknik tillät överföring av avsmalnande InP-nanobjälkar innehållande InAs-kvantprickar till en kiselvågledare med nanometer-precision.

"Denna integration öppnar möjligheten att utnyttja de mycket avancerade fotonikfunktionerna som utvecklats i kisel för att styra och leda icke-klassiskt ljus från enkla fotonkällor på begäran, "konstaterar forskargruppen." Dessutom de tillverkade enheterna arbetar vid telekomvåglängder och kan drivas elektriskt, som är användbara för fiberbaserad kvantkommunikation. "

Den kvantoptiska enheten, utvecklat av forskargruppen har framgångsrikt överfört utsläpp från kvantprickarna längs de fotoniska kretsarna av kisel med hög effektivitet. Med hjälp av detta, de har också framgångsrikt införlivat en on-chip kisel-fotonisk strålsplitter för att utföra en Hanbury-Brown och Twiss mätning.

"Vår strategi kan möjliggöra integration av förkarakteriserade III-V-kvantfotoniska enheter i storskaliga fotoniska strukturer för att möjliggöra komplexa enheter som består av många sändare och fotoner, säger professor Kim.