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統合されたもつれ光源を使用して量子コンピューティングを拡張すると、量子フォトニック システムの従来の制限が克服されます。

最近、ハノーバー・ライプニッツ大学、トゥウェンテ大学、および新興企業 quix quantum からの国際研究チームが、チップ上に完全に統合された量子もつれ量子光源を実証しました。このブレークスルーは、量子技術の拡張性への重要な一歩を示し、安定した小型デバイスへの量子光源の統合を可能にします。この科学研究は nature photonics に掲載されました。

オンチップ量子光源は、もつれた光子のペアを生成する非線形媒体、レーザー、および特定の周波数帯域内でレーザーの安定性を確保するフィルターの 3 つの主要コンポーネントで構成されます。

研究チームは、このレイアウトを使用して、レーザーキャビティを備えた量子光源、バーニア効果を使用した高効率 (>55 db) の調整可能なノイズ抑制フィルター、通信帯域幅で使用する非線形マイクロリング誘電体 (4 つの光子ペアが自然に混合) を作成しました。約 1 thz の帯域幅を持つ共振モード)。この光源は、約 620 hz という驚異的な速度で光子ペアを検出でき、約 80 という高い一致/事故比を備えています。

新しいハイブリッド技術により、リン化インジウムレーザーと窒化シリコンフィルターが単一チップ上に組み合わされ、光源のサイズを縮小することが可能になります。この技術が適しているのは、量子コンピューティング量子ネットワークは光源のサイズを 1,000 分の 1 以上縮小できるためです。研究者らは、最近まで量子光源には外部の大型レーザーシステムが必要だったため、現場での使用が妨げられていたと主張している。これらの障害にもかかわらず、彼らは新しいチップ アーキテクチャとさまざまな接続プラットフォームでそれらを克服しました。

最大 96% の可視性を備えた量子干渉法と状態トモグラフィーからの密度行列再構成の両方により、ソースが高周波数密度でもつれ量子状態 (量子ビット) を直接生成していることが確認されています。これにより、99% もの忠実度が得られます。

フォトニック量子ビット: 利点と課題

重ね合わせ、もつれ、干渉は量子理論の基本的な考え方であり、量子コンピューティングに直接関係します。重ね合わせとは、粒子が同時に複数の状態で存在できるという事実を指します。絡み合いとは、物理的に離れていても粒子が互いに関係し合う現象を指します。干渉とは、粒子が互いに強化または打ち消し合う現象を指します。 。

量子光源は、量子ビットとして知られる量子コンピューターおよび量子ネットワークの基本コンポーネントを生成します。フォトニック量子ビットには、超伝導デバイスや閉じ込められた原子に基づくものなど、他の形式の量子ビットに比べていくつかの利点があります。たとえば、フォトニック量子ビットは環境ノイズ（脆弱な量子システムを破壊する可能性がある）の影響を受けにくく、極低温まで冷却する必要がありません。

しかし、フォトニック量子ビットは漏洩しやすいため、もつれがより困難になります。これは、複数の量子ビットを同時に使用する計算に必要なステップです。光ベースの量子コンピューターを改善するには、フォトニック統合、つまり回路にエッチングされたミクロン幅の導波路内を移動する光子を閉じ込める必要があります。

量子技術

大規模生産可能な完全に統合された量子プロセッサの開発は、量子コンピュータを構築する上で最も困難なハードルの 1 つです。イオン量子ビットのトラップは通常、個々のレーザービームによって制御され、正確な位置合わせが必要ですが、量子ビットの数が増加すると、このアプローチは現実的ではなくなります。

将来の量子デバイスは、数千万、さらには数百万の量子ビットを可能にすることで、量子コンピュータの複雑さを軽減し、スケーラビリティを向上させることを目指すでしょう。イオントラップ量子コンピュータは、クーロン相互作用を通じて単一原子を量子ビットとして使用し、イオン化後に正に帯電します。電磁場はこれらの原子を格子パターンに配置し、レーザーは電子の状態を変化させる量子ゲートを作成します。

これらの量子ビットのチップレベル制御を組み込むことが最大の困難です。レーザーは従来のツールですが、エラーが発生する可能性があり、組み合わせるのが困難です。

周波数もつれ光子ペアを備えたレーザー統合型光子量子光源

デザイン

この設計により、量子フォトニクスにおける多くの重要な問題が解決されます。光源は、窒化シリコン (si3n4) ベースのフィードバック回路を備えたハイブリッド集積 iii-v 反射型半導体光増幅器 (rsoa) です。フラウンホーファー hhi によって製造された長さ 700 メートルの量子井戸増幅器は、約 1,550 nm の利得を生成します。 iii-v 族導波路と si3n4 導波路間の接着を使用することで、光学システムは完全に位置合わせされます。パフォーマンスを向上させるために、傾斜した側面と反射防止コーティングが後方反射を軽減します。

導波路フィードバック回路の統合により、固有のレーザー線幅が減少し、ノイズが除去されるため、もつれ光子の安定性と品質が向上します。さらに、si3n4 の低損失と強い非線形屈折率により、高出力動作と効率的な光子の生成が容易になります。量子アプリケーションの最適なパフォーマンスを確保するために、このデバイスには信号伝送と光子対生成を改善するマイクロリング共振器 (mrr) も含まれています。

si3n4 フィードバック回路は、バーニア効果に基づいて設計された複数のマイクロリング共振器 (mrr) で構成されます。 mrr は、効率的なフィルタリングとシングルモード レーザー動作を保証するために正確に寸法設定されており、リングは損失を低減し、低い曲げ半径を維持するように選択されています。温度調整用の回路には抵抗ヒーターも含まれているため、フィードバック機構を正確に制御できます。

高反射コーティングとサニャック ループが、バランスの取れたフィードバックを実現するマッハ ツェンダー干渉計 (mzi) と組み合わされて、レーザー キャビティのミラーを形成します。モードマッチングは、ゲインチップ、フィードバックチップ、ファイバー間の損失を最小限に抑えるように最適化されており、偏波保持ファイバーに接続された抽出ポートを通じて最適な効率を確保します。バーニア フィルタリングは、ハイサイド モード抑圧比 (smsr) を達成し、増幅自然放出 (ase) ノイズを大幅に低減することで、ハイブリッド量子ソースのノイズ抑制能力を強化します。

この設計の最もユニークな特徴の 1 つは、mrr 内の自発四波混合 (sfwm) によって生成されるシグナル光子とアイドラー光子のペアの抽出効率が異なることです。この設計は、出力におけるポンプ光子の存在を最小限に抑えながら、非古典光子ペアのほぼ 100% の抽出を保証するため、量子アプリケーションの全体的な信号品質が向上します。

マイクロリング設計と q 因子調整は、コヒーレンス長、光子対生成速度、システムの安定性のバランスをとるため、システムのパフォーマンスにとって重要です。このシステムは、結合係数と熱効果を注意深く調整することで高いコヒーレンス時間と最小限の損失を可能にするため、量子通信およびコンピューティングのアプリケーションに最適です。

この完全に統合されたアプローチにより、実用的な目的で使用できるもつれ光子の少量で再現可能な供給が可能になり、スケーラブルな量子技術に向けた重要な一歩となります。次世代の量子通信およびコンピューティング システムの有力な候補として、光子ペア生成率と偶然事故率 (car) は他のプラットフォームに匹敵します。

この発見は、量子フォトニックシステムの従来の限界を克服し、よりアクセスしやすく強力な量子デバイスへの道を開き、量子情報処理科学の発展を促進します。

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