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l’espansione del calcolo quantistico utilizzando fonti di luce entangled integrate supera i limiti tradizionali dei sistemi fotonici quantistici.

recentemente, un gruppo di ricerca internazionale dell’università leibniz di hannover, dell’università di twente e della startup quix quantum ha dimostrato una sorgente di luce quantistica entangled completamente integrata su un chip. questa svolta segna un passo importante verso la scalabilità della tecnologia quantistica, consentendo l’integrazione di sorgenti luminose quantistiche in dispositivi piccoli e stabili. la ricerca scientifica è stata pubblicata su nature photonics.

le sorgenti di luce quantistica su chip sono costituite da tre componenti principali: un mezzo non lineare che genera coppie di fotoni entangled, un laser e un filtro che garantisce la stabilità del laser entro una determinata banda di frequenza.

il team ha utilizzato questo layout per creare una sorgente di luce quantistica con una cavità laser, un filtro di soppressione del rumore sintonizzabile altamente efficiente (>55 db) utilizzando l'effetto vernier e un dielettrico a microanelli non lineari da utilizzare nelle larghezze di banda delle telecomunicazioni (coppie di fotoni naturalmente miscelati in quattro modalità di risonanza con una larghezza di banda di circa 1 thz). la sorgente può rilevare coppie di fotoni alla sorprendente velocità di ~620 hz e ha un elevato rapporto coincidenza/incidente di ~80.

una nuova tecnologia ibrida combina un laser al fosfuro di indio con un filtro al nitruro di silicio su un singolo chip, consentendo di ridurre le dimensioni della sorgente luminosa. questa tecnologia è adatta perinformatica quantisticae reti quantistiche, perché possono ridurre le dimensioni delle sorgenti luminose di oltre 1.000 volte. i ricercatori sostengono che fino a poco tempo fa, le sorgenti di luce quantistica richiedevano sistemi laser esterni e di grandi dimensioni, che ne ostacolavano l’uso sul campo. nonostante questi ostacoli, li hanno superati con una nuova architettura di chip e varie piattaforme di connettività.

l’interferometria quantistica con visibilità fino al 96% e la ricostruzione della matrice di densità dalla tomografia di stato confermano entrambi che la sorgente genera direttamente stati quantici entangled (qubit) con densità ad alta frequenza. ciò si traduce in una fedeltà fino al 99%.

qubit fotonici: vantaggi e sfide

sovrapposizione, entanglement e interferenza sono idee fondamentali nella teoria quantistica che sono direttamente rilevanti per l'informatica quantistica. la sovrapposizione si riferisce al fatto che una particella può esistere in più stati contemporaneamente; l'entanglement si riferisce al fenomeno per cui le particelle possono essere correlate tra loro anche a distanza fisica. l'interferenza si riferisce al fenomeno per cui le particelle possono potenziarsi o annullarsi a vicenda .

le sorgenti di luce quantistica producono i componenti fondamentali dei computer quantistici e delle reti quantistiche, noti come qubit. i qubit fotonici offrono numerosi vantaggi rispetto ad altre forme di qubit, compresi quelli basati su dispositivi superconduttori o atomi intrappolati. ad esempio, i qubit fotonici sono meno suscettibili al rumore ambientale (che può disturbare i fragili sistemi quantistici) e non necessitano di essere raffreddati a temperature criogeniche.

ma i qubit fotonici sono più inclini alle perdite e quindi più difficili da intrappolare, un passaggio necessario per i calcoli che coinvolgono più qubit contemporaneamente. il miglioramento dei computer quantistici basati sulla luce richiede l’integrazione fotonica, ovvero il confinamento dei fotoni che viaggiano in guide d’onda larghe un micron incise nei circuiti.

tecnologia quantistica

lo sviluppo di processori quantistici completamente integrati che possano essere prodotti su larga scala è uno degli ostacoli più spinosi nella costruzione di computer quantistici. l’intrappolamento dei qubit ionici è generalmente controllato da singoli raggi laser, che richiedono un allineamento preciso, ma questo approccio diventa poco pratico quando il numero di qubit aumenta.

abilitando decine o addirittura milioni di qubit, i futuri dispositivi quantistici cercheranno di ridurre la complessità dei computer quantistici e quindi di aumentarne la scalabilità. i computer quantistici con trappola ionica utilizzano singoli atomi come qubit attraverso le interazioni di coulomb, che si caricano positivamente dopo la ionizzazione. i campi elettromagnetici organizzano questi atomi in schemi reticolari, mentre i laser creano porte quantistiche che cambiano lo stato dell'elettrone.

incorporare il controllo a livello di chip di questi qubit è la difficoltà più grande. sebbene siano strumenti convenzionali, i laser possono causare errori e sono difficili da combinare.

sorgente di luce quantistica di fotoni integrata nel laser con coppie di fotoni entangled in frequenza

progetto

il progetto risolve molti importanti problemi della fotonica quantistica. la sorgente luminosa è un amplificatore ottico ibrido a semiconduttore riflettente iii-v integrato (rsoa) con un circuito di feedback basato su nitruro di silicio (si3n4). l'amplificatore a pozzo quantico lungo 700 metri prodotto da fraunhofer hhi produce un guadagno di circa 1.550 nm. utilizzando un legame adesivo tra la guida d'onda iii-v e la guida d'onda si3n4, il sistema ottico ha un perfetto allineamento. per prestazioni migliori, i lati inclinati e i rivestimenti antiriflesso riducono i riflessi posteriori.

l'integrazione del circuito di feedback della guida d'onda riduce la larghezza di linea intrinseca del laser ed elimina il rumore, migliorando così la stabilità e la qualità dei fotoni entangled. inoltre, la bassa perdita e il forte indice di rifrazione non lineare di si3n4 facilitano il funzionamento ad alta potenza e un'efficiente generazione di fotoni. per garantire prestazioni ottimali per le applicazioni quantistiche, il dispositivo include anche un risonatore a microanelli (mrr) per migliorare la trasmissione del segnale e la generazione di coppie di fotoni.

il circuito di feedback si3n4 è costituito da più risonatori a microanelli (mrr) il cui design si basa sull'effetto nonio. l'mrr è dimensionato con precisione per garantire un filtraggio efficiente e un funzionamento laser monomodale; l'anello è selezionato per ridurre le perdite e mantenere un raggio di curvatura basso; nel circuito è incluso anche un riscaldatore resistivo per la regolazione termica in modo che il meccanismo di feedback possa essere controllato con precisione.

rivestimenti altamente riflettenti e anelli sagnac, combinati con un interferometro mach-zehnder (mzi) per un feedback bilanciato, formano lo specchio della cavità laser. la corrispondenza della modalità è ottimizzata per ridurre al minimo le perdite tra il chip di guadagno, il chip di feedback e la fibra, garantendo un'efficienza ottimale attraverso la porta di estrazione collegata alla fibra che mantiene la polarizzazione. il filtraggio a nonio raggiunge un rapporto di soppressione della modalità laterale elevata (smsr) e riduce significativamente il rumore delle emissioni spontanee amplificate (ase), migliorando così la capacità di soppressione del rumore delle sorgenti quantistiche ibride.

una delle caratteristiche più singolari di questo progetto è l'efficienza di estrazione differenziale delle coppie di fotoni di segnale e di riposo, che sono generate dalla miscelazione spontanea a quattro onde (sfwm) nell'mrr. il design garantisce un'estrazione quasi del 100% delle coppie di fotoni non classici riducendo al minimo la presenza di fotoni di pompa in uscita, migliorando così la qualità complessiva del segnale per le applicazioni quantistiche.

la progettazione del microanello e la regolazione del fattore q sono importanti per le prestazioni del sistema perché bilanciano la lunghezza di coerenza, la velocità di generazione delle coppie di fotoni e la stabilità del sistema. questo sistema è perfetto per le applicazioni di comunicazione e calcolo quantistico poiché l'attenta regolazione dei coefficienti di accoppiamento e degli effetti termici consente tempi di coerenza elevati e perdite minime.

questo approccio completamente integrato consente una fornitura piccola e riproducibile di fotoni entangled che possono essere utilizzati per scopi pratici, segnando un passo importante verso tecnologie quantistiche scalabili. essendo un forte contendente per i sistemi di comunicazione e calcolo quantistici di prossima generazione, il tasso di generazione delle coppie di fotoni e il rapporto coincidenze/incidenti (car) sono paragonabili a quelli di altre piattaforme.

questa scoperta supera i limiti tradizionali dei sistemi fotonici quantistici e apre la strada a dispositivi quantistici più accessibili e potenti, promuovendo così lo sviluppo della scienza dell’elaborazione delle informazioni quantistiche.

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