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die ausweitung des quantencomputings mithilfe integrierter verschränkter lichtquellen überwindet traditionelle einschränkungen quantenphotonischer systeme.

kürzlich demonstrierte ein internationales forschungsteam der leibniz universität hannover, der universität twente und des startups quix quantum eine vollständig integrierte verschränkte quantenlichtquelle auf einem chip. dieser durchbruch markiert einen wichtigen schritt in richtung skalierbarkeit der quantentechnologie und ermöglicht die integration von quantenlichtquellen in stabile, kleine geräte. die wissenschaftliche forschung wurde in nature photonics veröffentlicht.

on-chip-quantenlichtquellen bestehen aus drei hauptkomponenten: einem nichtlinearen medium, das paare verschränkter photonen erzeugt, einem laser und einem filter, der die laserstabilität innerhalb eines bestimmten frequenzbandes gewährleistet.

das team nutzte dieses layout, um eine quantenlichtquelle mit einem laserhohlraum, einem hocheffizienten (>55 db) abstimmbaren rauschunterdrückungsfilter mithilfe des vernier-effekts und einem nichtlinearen mikroring-dielektrikum für den einsatz in telekommunikationsbandbreiten zu erstellen (natürlich gemischte photonenpaare in vier). resonanzmoden mit einer bandbreite von ca. 1 thz). die quelle kann photonenpaare mit einer erstaunlichen rate von ~620 hz erkennen und weist ein hohes koinzidenz-/unfallverhältnis von ~80 auf.

eine neuartige hybridtechnologie kombiniert einen indiumphosphid-laser mit einem siliziumnitrid-filter auf einem einzigen chip und ermöglicht so eine verkleinerung der lichtquelle. diese technologie eignet sich fürquantencomputingund quantennetzwerke, weil sie die größe von lichtquellen um mehr als das tausendfache reduzieren können. die forscher behaupten, dass quantenlichtquellen bis vor kurzem externe und große lasersysteme erforderten, was ihren einsatz im feld behinderte. trotz dieser hindernisse haben sie sie mit einer neuen chip-architektur und verschiedenen konnektivitätsplattformen überwunden.

quanteninterferometrie mit einer sichtbarkeit von bis zu 96 % und dichtematrixrekonstruktion aus der zustandstomographie bestätigen beide, dass die quelle direkt verschränkte quantenzustände (qubits) mit hoher frequenzdichte erzeugt. dies führt zu einer wiedergabetreue von bis zu 99 %.

photonische qubits: vorteile und herausforderungen

überlagerung, verschränkung und interferenz sind grundlegende ideen der quantentheorie, die für das quantencomputing direkt relevant sind. überlagerung bezieht sich auf die tatsache, dass ein teilchen gleichzeitig in mehreren zuständen existieren kann; verschränkung bezieht sich auf das phänomen, dass teilchen auch bei physikalischer entfernung miteinander in beziehung stehen können; .

quantenlichtquellen erzeugen die grundlegenden komponenten von quantencomputern und quantennetzwerken, sogenannte qubits. photonische qubits bieten mehrere vorteile gegenüber anderen formen von qubits, einschließlich solchen, die auf supraleitenden geräten oder eingefangenen atomen basieren. photonische qubits sind beispielsweise weniger anfällig für umgebungsrauschen (der fragile quantensysteme stören kann) und müssen nicht auf kryogene temperaturen gekühlt werden.

aber photonische qubits sind anfälliger für leckagen und daher schwieriger zu verschränken – ein notwendiger schritt für berechnungen, an denen mehrere qubits gleichzeitig beteiligt sind. die verbesserung lichtbasierter quantencomputer erfordert photonische integration – den einschluss von photonen, die sich in mikrometerbreiten wellenleitern bewegen, die in schaltkreise geätzt sind.

quantentechnologie

die entwicklung vollständig integrierter quantenprozessoren, die in großem maßstab hergestellt werden können, ist eine der schwierigsten hürden beim bau von quantencomputern. das einfangen von ionen-qubits wird normalerweise durch einzelne laserstrahlen gesteuert, was eine präzise ausrichtung erfordert. dieser ansatz wird jedoch unpraktisch, wenn die anzahl der qubits zunimmt.

durch die ermöglichung von dutzenden oder sogar millionen von qubits werden zukünftige quantengeräte versuchen, die komplexität von quantencomputern zu reduzieren und so die skalierbarkeit zu erhöhen. ionenfallen-quantencomputer nutzen durch coulomb-wechselwirkungen einzelne atome als qubits, die nach der ionisierung positiv geladen werden. elektromagnetische felder ordnen diese atome in gittermustern an, während laser quantengatter erzeugen, die den zustand des elektrons ändern.

die größte schwierigkeit besteht darin, die steuerung dieser qubits auf chipebene zu integrieren. obwohl es sich um herkömmliche werkzeuge handelt, können laser fehler verursachen und sind schwierig zu kombinieren.

laserintegrierte photonen-quantenlichtquelle mit frequenzverschränkten photonenpaaren

design

das design löst viele wichtige probleme der quantenphotonik. die lichtquelle ist ein hybrider integrierter optischer iii-v-reflexionshalbleiterverstärker (rsoa) mit einer auf siliziumnitrid (si3n4) basierenden rückkopplungsschaltung. der 700 meter lange quantentopfverstärker des fraunhofer hhi erzeugt einen gewinn von etwa 1.550 nm. durch eine klebeverbindung zwischen dem iii-v-wellenleiter und dem si3n4-wellenleiter ist das optische system perfekt ausgerichtet. für eine bessere leistung reduzieren abgeschrägte seiten und antireflexbeschichtungen rückreflexionen.

die integration von wellenleiter-rückkopplungsschaltungen reduziert die intrinsische laserlinienbreite und eliminiert rauschen, wodurch die stabilität und qualität verschränkter photonen verbessert wird. darüber hinaus ermöglichen der geringe verlust und der starke nichtlineare brechungsindex von si3n4 einen hochleistungsbetrieb und eine effiziente photonenerzeugung. um eine optimale leistung für quantenanwendungen zu gewährleisten, verfügt das gerät außerdem über einen mikroringresonator (mrr), der die signalübertragung und photonenpaarerzeugung verbessert.

die si3n4-rückkopplungsschaltung besteht aus mehreren mikroringresonatoren (mrrs), deren design auf dem nonius-effekt basiert. der mrr ist präzise dimensioniert, um eine effiziente filterung und einen single-mode-laserbetrieb zu gewährleisten. der ring ist so ausgewählt, dass verluste reduziert und ein geringer biegeradius beibehalten werden. zur thermischen abstimmung ist außerdem eine widerstandsheizung im schaltkreis enthalten, sodass der rückkopplungsmechanismus präzise gesteuert werden kann.

hochreflektierende beschichtungen und sagnac-schleifen, kombiniert mit einem mach-zehnder-interferometer (mzi) für ausgewogene rückkopplung, bilden den spiegel der laserkavität. die modusanpassung ist optimiert, um verluste zwischen verstärkungschip, rückkopplungschip und faser zu minimieren und eine optimale effizienz durch den extraktionsanschluss zu gewährleisten, der mit der polarisationserhaltenden faser verbunden ist. die vernier-filterung erreicht ein hohes seitenmodenunterdrückungsverhältnis (smsr) und reduziert das rauschen der verstärkten spontanen emission (ase) erheblich, wodurch die rauschunterdrückungsfähigkeit hybrider quantenquellen verbessert wird.

eines der einzigartigsten merkmale dieses designs ist die unterschiedliche extraktionseffizienz von signal- und idler-photonenpaaren, die durch spontane vierwellenmischung (sfwm) im mrr erzeugt werden. das design garantiert eine nahezu 100-prozentige extraktion nichtklassischer photonenpaare und minimiert gleichzeitig das vorhandensein von pumpphotonen am ausgang, wodurch die gesamtsignalqualität für quantenanwendungen verbessert wird.

das mikroringdesign und die abstimmung des q-faktors sind wichtig für die systemleistung, da sie die kohärenzlänge, die photonenpaarerzeugungsrate und die systemstabilität ausgleichen. dieses system eignet sich perfekt für quantenkommunikations- und computeranwendungen, da eine sorgfältige abstimmung der kopplungskoeffizienten und thermischen effekte hohe kohärenzzeiten und minimale verluste ermöglicht.

dieser vollständig integrierte ansatz ermöglicht eine kleine und reproduzierbare versorgung verschränkter photonen, die für praktische zwecke genutzt werden können, was einen wichtigen schritt in richtung skalierbarer quantentechnologien darstellt. als starker anwärter auf quantenkommunikations- und computersysteme der nächsten generation sind die photonenpaarerzeugungsrate und das verhältnis von koinzidenz zu unfall (car) mit denen anderer plattformen vergleichbar.

diese entdeckung überwindet traditionelle einschränkungen quantenphotonischer systeme und ebnet den weg zu zugänglicheren und leistungsfähigeren quantengeräten und fördert so die entwicklung der wissenschaft der quanteninformationsverarbeitung.

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