tämän artikkelin on koonnut ja upottanut semiconductor industry perspective (id: icviews)

kvanttilaskennan laajentaminen integroitujen kietoutuneiden valonlähteiden avulla voittaa kvanttifotonijärjestelmien perinteiset rajoitukset.

äskettäin kansainvälinen tutkimusryhmä leibnizin yliopistosta hannoverista, yliopistosta twente ja startup quix quantum osoittivat täysin integroidun kietoutuvan kvanttivalolähteen sirulle. tämä läpimurto on tärkeä askel kohti kvanttiteknologian skaalautuvuutta, mikä mahdollistaa kvanttivalonlähteiden integroinnin vakaiksi, pieniksi laitteiksi. tieteellinen tutkimus on julkaistu nature photonicsissa.

on-chip-kvanttivalonlähteet koostuvat kolmesta pääkomponentista: epälineaarisesta väliaineesta, joka tuottaa kietoutuneita fotoneja, laserista ja suodattimesta, joka varmistaa laserin vakauden tietyllä taajuuskaistalla.

ryhmä käytti tätä asettelua luodakseen kvanttivalonlähteen laserontelolla, erittäin tehokkaalla (>55 db) viritettävällä kohinanvaimennussuodattimella vernier-efektillä ja epälineaarisella mikrorengasdielektrillä käytettäväksi tietoliikenteen kaistanleveyksissä (luonnollisesti sekoitetut fotoniparit neljässä resonanssitilat, joiden kaistanleveys on noin 1 thz). lähde pystyy havaitsemaan fotonipareja hämmästyttävällä ~620 hz:n taajuudella ja sen korkea sattuma/onnettomuussuhde on ~80.

uusi hybriditekniikka yhdistää indiumfosfidilaserin piinitridisuodattimeen yhdellä sirulla, mikä mahdollistaa valonlähteen koon pienentämisen. tämä tekniikka sopiikvanttilaskentaja kvanttiverkot, koska ne voivat pienentää valonlähteiden kokoa yli 1000 kertaa. tutkijat väittävät, että kvanttivalonlähteet vaativat viime aikoihin asti ulkoisia ja suuria laserjärjestelmiä, mikä esti niiden käyttöä kentällä. näistä esteistä huolimatta he ovat voineet ne uudella siruarkkitehtuurilla ja erilaisilla liitäntäalustoilla.

kvanttiinterferometria, jonka näkyvyys on jopa 96 %, ja tiheysmatriisirekonstruktio tilatomografiasta vahvistavat molemmat, että lähde tuottaa suoraan sotkeutuneita kvanttitiloja (qubits) korkean taajuuden tiheydellä. tämä johtaa jopa 99 prosentin tarkkuuteen.

photonic qubits: edut ja haasteet

superpositio, takertuminen ja häiriöt ovat kvanttiteorian perusideoita, jotka liittyvät suoraan kvanttilaskentaan. superpositio viittaa siihen, että hiukkanen voi esiintyä useissa oloissa samanaikaisesti .

kvanttivalolähteet tuottavat kvanttitietokoneiden ja kvanttiverkkojen peruskomponentit, jotka tunnetaan nimellä qubits. fotoniset kubitit tarjoavat useita etuja muihin kubiteihin verrattuna, mukaan lukien suprajohtaviin laitteisiin tai loukkuun jääneisiin atomeihin perustuviin. esimerkiksi fotoniset kubitit ovat vähemmän herkkiä ympäristön melulle (joka voi häiritä hauraita kvanttijärjestelmiä), eikä niitä tarvitse jäähdyttää kryogeenisiin lämpötiloihin.

mutta fotoniset kubitit ovat alttiimpia vuodoille, ja siksi niitä on vaikeampi sotkeutua - välttämätön vaihe laskelmissa, joissa on useita kubitteja samanaikaisesti. valopohjaisten kvanttitietokoneiden parantaminen vaatii fotoniintegraatiota – mikroninleveissä aaltoputkissa, jotka on syövytetty piireihin, kulkevien fotonien rajoitusta.

kvanttitekniikka

täysin integroitujen kvanttiprosessorien kehittäminen, jotka voidaan tuottaa mittakaavassa, on yksi vaikeimmista esteistä kvanttitietokoneiden rakentamisessa. ionikubittien vangitsemista ohjataan tyypillisesti yksittäisillä lasersäteillä, mikä vaatii tarkan kohdistuksen, mutta tämä lähestymistapa tulee epäkäytännölliseksi, kun kubittien määrä kasvaa.

ottamalla käyttöön kymmeniä tai jopa miljoonia kubitteja tulevaisuuden kvanttilaitteet pyrkivät vähentämään kvanttitietokoneiden monimutkaisuutta ja lisäämään siten skaalautuvuutta. ioniloukkukvanttitietokoneet käyttävät yksittäisiä atomeja kubitteina coulombin vuorovaikutuksen kautta, jotka varautuvat positiivisesti ionisaation jälkeen. sähkömagneettiset kentät järjestävät nämä atomit hilakavoiksi, kun taas laserit luovat kvanttiportteja, jotka muuttavat elektronin tilaa.

näiden kubittien sirutason ohjauksen sisällyttäminen on suurin vaikeus. vaikka laserit ovat perinteisiä työkaluja, ne voivat aiheuttaa virheitä ja niitä on vaikea yhdistää.

laserin integroitu fotonikvanttivalolähde taajuudella kietoutuneilla fotonipareilla

design

suunnittelu ratkaisee monia tärkeitä kvanttifotoniikan ongelmia. valonlähde on hybridi integroitu iii-v heijastava optinen puolijohdevahvistin (rsoa), jossa on piinitridi (si3n4) perustuva takaisinkytkentäpiiri. fraunhofer hhi:n valmistama 700 metriä pitkä kvanttikuivovahvistin tuottaa noin 1550 nm vahvistuksen. käyttämällä tarrasidosta iii-v-aaltoputken ja si3n4-aaltoputken välillä, optinen järjestelmä on täydellisesti kohdistettu. paremman suorituskyvyn takaamiseksi vinot sivut ja heijastamattomat pinnoitteet vähentävät takaheijastuksia.

aaltoputken takaisinkytkentäpiirin integrointi vähentää laserin luontaista viivaleveyttä ja eliminoi kohinaa, mikä parantaa takertuneiden fotonien vakautta ja laatua. lisäksi si3n4:n pieni häviö ja vahva epälineaarinen taitekerroin helpottavat suuren tehon toimintaa ja tehokasta fotonien tuotantoa. optimaalisen suorituskyvyn varmistamiseksi kvanttisovelluksissa laitteessa on myös mikrorengasresonaattori (mrr), joka parantaa signaalin siirtoa ja fotoniparien muodostusta.

si3n4-takaisinkytkentäpiiri koostuu useista mikrorengasresonaattoreista (mrr), joiden suunnittelu perustuu vernier-ilmiöön. mrr on tarkasti mitoitettu tehokkaan suodatuksen ja yksimuotoisen lasertoiminnan varmistamiseksi. resistiivinen lämmitin sisältyy myös lämpövirityspiiriin, jotta takaisinkytkentämekanismia voidaan ohjata tarkasti.

erittäin heijastavat pinnoitteet ja sagnac-silmukat yhdistettynä mach-zehnder-interferometriin (mzi) tasapainoista palautetta varten, muodostavat laserontelon peilin. tilasovitus on optimoitu minimoimaan häviöt vahvistussirun, takaisinkytkentäsirun ja kuidun välillä, mikä varmistaa optimaalisen tehokkuuden polarisaatiota ylläpitävään kuituun yhdistetyn erotusportin kautta. vernier-suodatus saavuttaa korkean sivumoodin vaimennussuhteen (smsr) ja vähentää merkittävästi vahvistetun spontaanin emission (ase) melua, mikä parantaa hybridikvanttilähteiden melunvaimennuskykyä.

yksi tämän suunnittelun ainutlaatuisimmista ominaisuuksista on signaalin ja joutokäynnin fotoniparien differentiaalinen erottelutehokkuus, jotka syntyvät spontaanilla neljän aallon sekoituksella (sfwm) mrr:ssä. suunnittelu takaa lähes 100 %:n ei-klassisten fotoniparien erottamisen ja minimoi pumpun fotonien läsnäolon lähdössä, mikä parantaa signaalin yleistä laatua kvanttisovelluksissa.

mikrorengassuunnittelu ja q-tekijän viritys ovat tärkeitä järjestelmän suorituskyvylle, koska ne tasapainottavat koherenssin pituuden, fotoniparien muodostumisnopeuden ja järjestelmän vakauden. tämä järjestelmä on täydellinen kvanttiviestintä- ja laskentasovelluksiin, koska kytkentäkertoimien ja lämpövaikutusten huolellinen viritys mahdollistaa korkeat koherenssiajat ja minimaaliset häviöt.

tämä täysin integroitu lähestymistapa mahdollistaa pienen ja toistettavan sotkeutuneiden fotonien määrän, joita voidaan käyttää käytännön tarkoituksiin, mikä on tärkeä askel kohti skaalautuvaa kvanttiteknologiaa. vahvana kilpailijana seuraavan sukupolven kvanttiviestintä- ja laskentajärjestelmille fotoniparien muodostumisnopeus ja sattumanvaraisuussuhde (car) ovat verrattavissa muihin alustoihin.

tämä löytö voittaa kvanttifotonijärjestelmien perinteiset rajoitukset ja avaa tien helpommin saavutettaville ja tehokkaammille kvanttilaitteille, mikä edistää kvanttitietojen käsittelytieteen kehitystä.

*vastuuvapauslauseke: tämän artikkelin on luonut alkuperäinen kirjoittaja. artikkelin sisältö on hänen henkilökohtainen mielipiteensä. se ei tarkoita, että olemme samaa mieltä tai samaa mieltä sen kanssa.