artikel ini disusun dan disematkan oleh perspektif industri semikonduktor (id: icviews)
memperluas komputasi kuantum menggunakan sumber cahaya terintegrasi mengatasi keterbatasan tradisional sistem fotonik kuantum.
baru-baru ini, tim peneliti internasional dari universitas leibniz hannover, universitas twente, dan startup quix quantum mendemonstrasikan sumber cahaya kuantum terjerat yang terintegrasi penuh dalam sebuah chip. terobosan ini menandai langkah penting menuju skalabilitas teknologi kuantum, yang memungkinkan integrasi sumber cahaya kuantum ke dalam perangkat kecil dan stabil. penelitian ilmiah telah dipublikasikan di nature photonics.
sumber cahaya kuantum dalam chip terdiri dari tiga komponen utama: media nonlinier yang menghasilkan pasangan foton terjerat, laser, dan filter yang menjamin stabilitas laser dalam pita frekuensi tertentu.
tim menggunakan tata letak ini untuk membuat sumber cahaya kuantum dengan rongga laser, filter peredam bising yang sangat efisien (>55 db) menggunakan efek vernier, dan dielektrik cincin mikro nonlinier untuk digunakan dalam bandwidth telekomunikasi (pasangan foton campuran alami dalam empat mode resonansi dengan bandwidth sekitar 1 thz). sumbernya dapat mendeteksi pasangan foton pada kecepatan yang menakjubkan ~620 hz dan memiliki rasio kebetulan/kecelakaan yang tinggi ~80.
teknologi hibrida baru menggabungkan laser indium fosfida dengan filter silikon nitrida pada satu chip, sehingga memungkinkan untuk memperkecil ukuran sumber cahaya. teknologi ini cocok untukkomputasi kuantumdan jaringan kuantum, karena dapat mengurangi ukuran sumber cahaya lebih dari 1.000 kali lipat. para peneliti mengklaim bahwa hingga saat ini, sumber cahaya kuantum memerlukan sistem laser eksternal dan besar, sehingga menghambat penggunaannya di lapangan. terlepas dari kendala tersebut, mereka telah mengatasinya dengan arsitektur chip baru dan berbagai platform konektivitas.
interferometri kuantum dengan visibilitas hingga 96% dan rekonstruksi matriks kepadatan dari tomografi keadaan, keduanya mengonfirmasi bahwa sumber secara langsung menghasilkan keadaan kuantum terjerat (qubit) dengan kepadatan frekuensi tinggi. hal ini menghasilkan kesetiaan setinggi 99%.
qubit fotonik: keuntungan dan tantangan
superposisi, keterjeratan, dan interferensi adalah gagasan mendasar dalam teori kuantum yang relevan langsung dengan komputasi kuantum. superposisi mengacu pada fakta bahwa sebuah partikel dapat berada dalam beberapa keadaan pada saat yang sama; belitan mengacu pada fenomena bahwa partikel dapat berhubungan satu sama lain bahkan pada jarak fisik; interferensi mengacu pada fenomena bahwa partikel dapat saling menguatkan atau menghilangkan .
sumber cahaya kuantum menghasilkan komponen dasar komputer kuantum dan jaringan kuantum, yang dikenal sebagai qubit. qubit fotonik menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan bentuk qubit lainnya, termasuk qubit yang didasarkan pada perangkat superkonduktor atau atom yang terperangkap. misalnya, qubit fotonik kurang rentan terhadap kebisingan lingkungan (yang dapat mengganggu sistem kuantum yang rapuh) dan tidak perlu didinginkan hingga suhu kriogenik.
namun qubit fotonik lebih rentan terhadap kebocoran sehingga lebih sulit untuk dilibatkan—sebuah langkah penting untuk penghitungan yang melibatkan beberapa qubit secara bersamaan. peningkatan komputer kuantum berbasis cahaya memerlukan integrasi fotonik—pengurangan foton yang bergerak dalam pandu gelombang selebar mikron yang diukir dalam sirkuit.
teknologi kuantum
mengembangkan prosesor kuantum terintegrasi penuh yang dapat diproduksi dalam skala besar adalah salah satu rintangan tersulit dalam membangun komputer kuantum. menjebak qubit ion biasanya dikendalikan oleh sinar laser individual, sehingga memerlukan penyelarasan yang tepat, namun pendekatan ini menjadi tidak praktis ketika jumlah qubit meningkat.
dengan mengaktifkan puluhan atau bahkan jutaan qubit, perangkat kuantum masa depan akan berupaya mengurangi kompleksitas komputer kuantum dan dengan demikian meningkatkan skalabilitas. komputer kuantum perangkap ion menggunakan atom tunggal sebagai qubit melalui interaksi coulomb, yang menjadi bermuatan positif setelah ionisasi. medan elektromagnetik mengatur atom-atom ini menjadi pola kisi, sementara laser menciptakan gerbang kuantum yang mengubah keadaan elektron.
menggabungkan kontrol tingkat chip pada qubit ini adalah kesulitan terbesar. meskipun merupakan alat konvensional, laser dapat menyebabkan kesalahan dan sulit untuk digabungkan.
sumber cahaya kuantum foton terintegrasi laser dengan pasangan foton terjerat frekuensi
desain
desainnya memecahkan banyak masalah penting dalam fotonik kuantum. sumber cahayanya adalah penguat optik semikonduktor reflektif (rsoa) iii-v terintegrasi hybrid dengan sirkuit umpan balik berbasis silikon nitrida (si3n4). penguat sumur kuantum sepanjang 700 meter yang diproduksi oleh fraunhofer hhi menghasilkan penguatan sekitar 1.550 nm. menggunakan ikatan perekat antara pandu gelombang iii-v dan pandu gelombang si3n4, sistem optik memiliki keselarasan yang sempurna. untuk kinerja yang lebih baik, sisi miring dan lapisan anti-reflektif mengurangi pantulan ke belakang.
integrasi sirkuit umpan balik pandu gelombang mengurangi lebar garis laser intrinsik dan menghilangkan kebisingan, sehingga meningkatkan stabilitas dan kualitas foton yang terjerat. selain itu, indeks bias nonlinier si3n4 yang rendah dan kuat memfasilitasi operasi berdaya tinggi dan menghasilkan foton yang efisien. untuk memastikan kinerja optimal untuk aplikasi kuantum, perangkat ini juga menyertakan microring resonator (mrr) untuk meningkatkan transmisi sinyal dan pembangkitan pasangan foton.
rangkaian umpan balik si3n4 terdiri dari beberapa resonator mikroring (mrr) yang desainnya didasarkan pada efek vernier. mrr memiliki dimensi yang tepat untuk memastikan penyaringan yang efisien dan pengoperasian laser mode tunggal; cincin dipilih untuk mengurangi kerugian dan mempertahankan radius tikungan yang rendah. pemanas resistif juga disertakan dalam rangkaian untuk penyetelan termal sehingga mekanisme umpan balik dapat dikontrol secara tepat.
lapisan yang sangat reflektif dan loop sagnac, dikombinasikan dengan interferometer mach-zehnder (mzi) untuk umpan balik yang seimbang, membentuk cermin rongga laser. pencocokan mode dioptimalkan untuk meminimalkan kerugian antara chip penguatan, chip umpan balik, dan serat, memastikan efisiensi optimal melalui port ekstraksi yang terhubung ke serat pemeliharaan polarisasi. pemfilteran vernier mencapai rasio penekanan mode sisi tinggi (smsr) dan secara signifikan mengurangi kebisingan emisi spontan yang diperkuat (ase), sehingga meningkatkan kemampuan penekanan kebisingan dari sumber kuantum hibrid.
salah satu fitur paling unik dari desain ini adalah efisiensi ekstraksi diferensial pasangan sinyal dan foton pemalas, yang dihasilkan oleh pencampuran empat gelombang spontan (sfwm) di mrr. desainnya menjamin hampir 100% ekstraksi pasangan foton non-klasik sekaligus meminimalkan keberadaan foton pompa pada keluaran, sehingga meningkatkan kualitas sinyal secara keseluruhan untuk aplikasi kuantum.
desain microring dan penyetelan faktor q penting untuk kinerja sistem karena keduanya menyeimbangkan panjang koherensi, laju pembangkitan pasangan foton, dan stabilitas sistem. sistem ini sempurna untuk aplikasi komunikasi dan komputasi kuantum karena penyesuaian koefisien kopling dan efek termal yang cermat memungkinkan waktu koherensi yang tinggi dan kerugian yang minimal.
pendekatan yang sepenuhnya terintegrasi ini memungkinkan pasokan foton terjerat dalam jumlah kecil dan dapat direproduksi sehingga dapat digunakan untuk tujuan praktis, menandai langkah penting menuju teknologi kuantum yang dapat diskalakan. sebagai pesaing kuat untuk sistem komunikasi dan komputasi kuantum generasi berikutnya, tingkat pembangkitan pasangan foton dan rasio kebetulan terhadap kecelakaan (car) sebanding dengan platform lain.
penemuan ini mengatasi keterbatasan tradisional sistem fotonik kuantum dan membuka jalan menuju perangkat kuantum yang lebih mudah diakses dan kuat, sehingga mendorong pengembangan ilmu pemrosesan informasi kuantum.
*penafian: artikel ini dibuat oleh penulis asli. isi artikel adalah pendapat pribadinya, kami cetak ulang hanya untuk berbagi dan berdiskusi, bukan berarti kami setuju atau menyetujuinya.
