αυτό το άρθρο συντάχθηκε και ενσωματώθηκε από την semiconductor industry perspective (id: icviews)
η επέκταση του κβαντικού υπολογισμού με χρήση ενσωματωμένων πηγών φωτός ξεπερνά τους παραδοσιακούς περιορισμούς των κβαντικών φωτονικών συστημάτων.
πρόσφατα, μια διεθνής ερευνητική ομάδα από το πανεπιστήμιο leibniz του ανόβερου, το πανεπιστήμιο του twente και την startup quix quantum παρουσίασαν μια πλήρως ενσωματωμένη πηγή κβαντικού φωτός σε ένα τσιπ. αυτή η σημαντική ανακάλυψη σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την επεκτασιμότητα της κβαντικής τεχνολογίας, επιτρέποντας την ενσωμάτωση των κβαντικών πηγών φωτός σε σταθερές, μικρές συσκευές. η επιστημονική έρευνα δημοσιεύτηκε στο nature photonics.
οι πηγές κβαντικού φωτός στο τσιπ αποτελούνται από τρία κύρια συστατικά: ένα μη γραμμικό μέσο που δημιουργεί ζεύγη εμπλεκόμενων φωτονίων, ένα λέιζερ και ένα φίλτρο που διασφαλίζει τη σταθερότητα του λέιζερ σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων.
η ομάδα χρησιμοποίησε αυτή τη διάταξη για να δημιουργήσει μια κβαντική πηγή φωτός με κοιλότητα λέιζερ, ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό (>55 db) ρυθμιζόμενο φίλτρο καταστολής θορύβου χρησιμοποιώντας το φαινόμενο vernier και ένα μη γραμμικό διηλεκτρικό μικροδακτυλίου για χρήση σε εύρη ζώνης τηλεπικοινωνιών ( φυσικά μικτά ζεύγη φωτονίων σε τέσσερα λειτουργίες συντονισμού με εύρος ζώνης περίπου 1 thz). η πηγή μπορεί να ανιχνεύσει ζεύγη φωτονίων με εκπληκτικό ρυθμό ~620 hz και έχει υψηλή αναλογία σύμπτωσης/ατυχήματος ~80.
μια νέα υβριδική τεχνολογία συνδυάζει ένα λέιζερ φωσφιδίου ινδίου με ένα φίλτρο νιτριδίου του πυριτίου σε ένα μόνο τσιπ, καθιστώντας δυνατή τη συρρίκνωση του μεγέθους της πηγής φωτός. αυτή η τεχνολογία είναι κατάλληλη γιακβαντική υπολογιστικήκαι τα κβαντικά δίκτυα, επειδή μπορούν να μειώσουν το μέγεθος των πηγών φωτός κατά περισσότερες από 1.000 φορές. οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι μέχρι πρόσφατα, οι κβαντικές πηγές φωτός απαιτούσαν εξωτερικά και μεγάλα συστήματα λέιζερ, τα οποία εμπόδιζαν τη χρήση τους στο πεδίο. παρά αυτά τα εμπόδια, τα έχουν ξεπεράσει με μια νέα αρχιτεκτονική τσιπ και διάφορες πλατφόρμες συνδεσιμότητας.
η κβαντική συμβολομετρία με ορατότητα έως και 96% και η ανακατασκευή της μήτρας πυκνότητας από την τομογραφία κατάστασης επιβεβαιώνουν ότι η πηγή δημιουργεί άμεσα μπερδεμένες κβαντικές καταστάσεις (qubits) με πυκνότητα υψηλής συχνότητας. αυτό οδηγεί σε πιστότητα έως και 99%.
φωτονικά qubits: πλεονεκτήματα και προκλήσεις
η υπέρθεση, η εμπλοκή και η παρεμβολή είναι θεμελιώδεις ιδέες στην κβαντική θεωρία που σχετίζονται άμεσα με τον κβαντικό υπολογισμό. η υπέρθεση αναφέρεται στο γεγονός ότι ένα σωματίδιο μπορεί να υπάρχει σε πολλές καταστάσεις την ίδια στιγμή .
οι κβαντικές πηγές φωτός παράγουν τα θεμελιώδη στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών και των κβαντικών δικτύων, γνωστά ως qubits. τα φωτονικά qubit προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες μορφές qubits, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που βασίζονται σε υπεραγώγιμες συσκευές ή παγιδευμένα άτομα. για παράδειγμα, τα φωτονικά qubits είναι λιγότερο ευαίσθητα στον περιβαλλοντικό θόρυβο (ο οποίος μπορεί να διαταράξει τα εύθραυστα κβαντικά συστήματα) και δεν χρειάζεται να ψύχονται σε κρυογονικές θερμοκρασίες.
αλλά τα φωτονικά qubit είναι πιο επιρρεπή σε διαρροές και επομένως πιο δύσκολο να μπερδευτούν—ένα απαραίτητο βήμα για υπολογισμούς που περιλαμβάνουν πολλαπλά qubits ταυτόχρονα. η βελτίωση των κβαντικών υπολογιστών που βασίζονται στο φως απαιτεί φωτονική ολοκλήρωση—τον περιορισμό των φωτονίων που ταξιδεύουν σε κυματοδηγούς πλάτους μικρού που χαράσσονται σε κυκλώματα.
κβαντική τεχνολογία
η ανάπτυξη πλήρως ενσωματωμένων κβαντικών επεξεργαστών που μπορούν να παραχθούν σε κλίμακα είναι ένα από τα πιο ακανθώδη εμπόδια στην κατασκευή κβαντικών υπολογιστών. η παγίδευση των qubit ιόντων τυπικά ελέγχεται από μεμονωμένες ακτίνες λέιζερ, απαιτώντας ακριβή ευθυγράμμιση, αλλά αυτή η προσέγγιση καθίσταται μη πρακτική όταν αυξάνεται ο αριθμός των qubits.
ενεργοποιώντας δεκάδες ή και εκατομμύρια qubits, οι μελλοντικές κβαντικές συσκευές θα επιδιώξουν να μειώσουν την πολυπλοκότητα των κβαντικών υπολογιστών και έτσι να αυξήσουν την επεκτασιμότητα. οι κβαντικοί υπολογιστές παγίδας ιόντων χρησιμοποιούν μεμονωμένα άτομα ως qubits μέσω αλληλεπιδράσεων coulomb, τα οποία φορτίζονται θετικά μετά τον ιονισμό. τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία τακτοποιούν αυτά τα άτομα σε σχήματα πλέγματος, ενώ τα λέιζερ δημιουργούν κβαντικές πύλες που αλλάζουν την κατάσταση του ηλεκτρονίου.
η ενσωμάτωση ελέγχου σε επίπεδο chip αυτών των qubits είναι η μεγαλύτερη δυσκολία. αν και είναι συμβατικά εργαλεία, τα λέιζερ μπορεί να προκαλέσουν σφάλματα και είναι δύσκολο να συνδυαστούν.
ενσωματωμένη κβαντική πηγή φωτονίου με λέιζερ με ζεύγη φωτονίων μπερδεμένα με συχνότητα
σχέδιο
ο σχεδιασμός λύνει πολλά σημαντικά προβλήματα στην κβαντική φωτονική. η πηγή φωτός είναι ένας υβριδικός ενσωματωμένος οπτικός ενισχυτής ανακλαστικού ημιαγωγού iii-v (rsoa) με κύκλωμα ανάδρασης με βάση το νιτρίδιο του πυριτίου (si3n4). ο ενισχυτής κβαντικού φρεατίου μήκους 700 μέτρων που κατασκευάζεται από την fraunhofer hhi παράγει κέρδος περίπου 1.550 nm. χρησιμοποιώντας έναν συγκολλητικό δεσμό μεταξύ του κυματοδηγού iii-v και του κυματοδηγού si3n4, το οπτικό σύστημα έχει τέλεια ευθυγράμμιση. για καλύτερη απόδοση, οι κεκλιμένες πλευρές και οι αντιανακλαστικές επιστρώσεις μειώνουν τις αντανακλάσεις της πλάτης.
η ενσωμάτωση του κυκλώματος ανάδρασης κυματοδηγού μειώνει το εγγενές εύρος γραμμής του λέιζερ και εξαλείφει τον θόρυβο, βελτιώνοντας έτσι τη σταθερότητα και την ποιότητα των μπερδεμένων φωτονίων. επιπλέον, η χαμηλή απώλεια και ο ισχυρός μη γραμμικός δείκτης διάθλασης του si3n4 διευκολύνουν τη λειτουργία υψηλής ισχύος και την αποτελεσματική παραγωγή φωτονίων. για να διασφαλιστεί η βέλτιστη απόδοση για κβαντικές εφαρμογές, η συσκευή περιλαμβάνει επίσης έναν συντονιστή μικροδακτυλίου (mrr) για τη βελτίωση της μετάδοσης σήματος και της παραγωγής ζεύγους φωτονίων.
το κύκλωμα ανάδρασης si3n4 αποτελείται από πολλαπλούς συντονιστές μικροδακτυλίου (mrrs) των οποίων η σχεδίαση βασίζεται στο φαινόμενο βερνιέ. το mrr έχει ακριβείς διαστάσεις για να διασφαλίζει αποτελεσματικό φιλτράρισμα και λειτουργία λέιζερ μονής λειτουργίας. ένας θερμαντήρας αντίστασης περιλαμβάνεται επίσης στο κύκλωμα για θερμικό συντονισμό, ώστε ο μηχανισμός ανάδρασης να μπορεί να ελέγχεται με ακρίβεια.
υψηλά ανακλαστικά επιστρώματα και βρόχοι sagnac, σε συνδυασμό με συμβολόμετρο mach-zehnder (mzi) για ισορροπημένη ανάδραση, σχηματίζουν τον καθρέφτη της κοιλότητας του λέιζερ. η αντιστοίχιση λειτουργίας είναι βελτιστοποιημένη για να ελαχιστοποιεί τις απώλειες μεταξύ του τσιπ απολαβής, του τσιπ ανάδρασης και της ίνας, εξασφαλίζοντας βέλτιστη απόδοση μέσω της θύρας εξαγωγής που συνδέεται με την ίνα διατήρησης πόλωσης. το φιλτράρισμα vernier επιτυγχάνει υψηλή αναλογία καταστολής πλευρικής λειτουργίας (smsr) και μειώνει σημαντικά τον θόρυβο της ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής (ase), ενισχύοντας έτσι την ικανότητα καταστολής θορύβου των υβριδικών κβαντικών πηγών.
ένα από τα πιο μοναδικά χαρακτηριστικά αυτού του σχεδιασμού είναι η απόδοση διαφορικής εξαγωγής των ζευγών σήματος και αδρανών φωτονίων, τα οποία παράγονται από αυθόρμητη ανάμειξη τεσσάρων κυμάτων (sfwm) στο mrr. ο σχεδιασμός εγγυάται σχεδόν 100% εξαγωγή μη κλασικών ζευγών φωτονίων, ενώ ελαχιστοποιεί την παρουσία φωτονίων αντλίας στην έξοδο, βελτιώνοντας έτσι τη συνολική ποιότητα σήματος για κβαντικές εφαρμογές.
ο σχεδιασμός microring και ο συντονισμός του παράγοντα q είναι σημαντικά για την απόδοση του συστήματος, επειδή εξισορροπούν το μήκος συνοχής, τον ρυθμό δημιουργίας ζεύγους φωτονίων και τη σταθερότητα του συστήματος. αυτό το σύστημα είναι τέλειο για εφαρμογές κβαντικής επικοινωνίας και υπολογιστών επειδή ο προσεκτικός συντονισμός των συντελεστών σύζευξης και των θερμικών επιδράσεων επιτρέπει υψηλούς χρόνους συνοχής και ελάχιστες απώλειες.
αυτή η πλήρως ολοκληρωμένη προσέγγιση επιτρέπει μια μικρή και αναπαραγώγιμη παροχή εμπλεκόμενων φωτονίων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πρακτικούς σκοπούς, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό βήμα προς τις κλιμακούμενες κβαντικές τεχνολογίες. ως ισχυρός υποψήφιος για συστήματα κβαντικής επικοινωνίας και υπολογιστών επόμενης γενιάς, ο ρυθμός παραγωγής ζεύγους φωτονίων και ο λόγος σύμπτωσης προς ατυχήματα (car) είναι συγκρίσιμοι με άλλες πλατφόρμες.
αυτή η ανακάλυψη ξεπερνά τους παραδοσιακούς περιορισμούς των κβαντικών φωτονικών συστημάτων και ανοίγει το δρόμο σε πιο προσιτές και ισχυρές κβαντικές συσκευές, προωθώντας έτσι την ανάπτυξη της επιστήμης της κβαντικής επεξεργασίας πληροφοριών.
*δήλωση αποποίησης ευθύνης: αυτό το άρθρο δημιουργήθηκε από τον αρχικό συγγραφέα. το περιεχόμενο του άρθρου είναι η προσωπική του άποψη. η αναδημοσίευσή μας είναι μόνο για κοινή χρήση και συζήτηση.
