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통합된 얽힌 광원을 사용하여 양자 컴퓨팅을 확장하면 양자 광자 시스템의 기존 한계를 극복할 수 있습니다.

최근 라이프니츠 대학 하노버, 트벤테 대학, 스타트업 quix quantum의 국제 연구팀은 칩에 완전히 통합된 얽힌 양자 광원을 시연했습니다. 이 획기적인 발전은 양자 광원을 안정적이고 작은 장치에 통합할 수 있게 함으로써 양자 기술의 확장성을 향한 중요한 단계를 의미합니다. 이 과학 연구는 nature photonics에 게재되었습니다.

온칩 양자 광원은 얽힌 광자 쌍을 생성하는 비선형 매체, 레이저, 특정 주파수 대역 내에서 레이저 안정성을 보장하는 필터의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

팀은 이 레이아웃을 사용하여 레이저 공동, 버니어 효과를 사용하는 고효율(>55db) 조정 가능한 소음 억제 필터, 통신 대역폭에 사용하기 위한 비선형 마이크로링 유전체(4개의 자연적으로 혼합된 광자 쌍)를 갖춘 양자 광원을 만들었습니다. 약 1thz의 대역폭을 갖는 공진 모드). 소스는 ~620hz의 놀라운 속도로 광자 쌍을 감지할 수 있으며 ~80의 높은 우연/사고 비율을 갖습니다.

새로운 하이브리드 기술은 인듐 인화물 레이저와 질화 규소 필터를 단일 칩에 결합하여 광원의 크기를 줄일 수 있습니다. 이 기술은 다음에 적합합니다.양자 컴퓨팅그리고 양자 네트워크는 광원의 크기를 1,000배 이상 줄일 수 있기 때문입니다. 연구진은 최근까지 양자 광원에는 외부 및 대형 레이저 시스템이 필요했기 때문에 현장에서의 사용이 어려웠다고 주장합니다. 이러한 장애물에도 불구하고 그들은 새로운 칩 아키텍처와 다양한 연결 플랫폼으로 이를 극복했습니다.

최대 96%의 가시성을 갖춘 양자 간섭계와 상태 단층 촬영의 밀도 매트릭스 재구성은 소스가 고주파 밀도로 얽힌 양자 상태(큐비트)를 직접 생성한다는 것을 확인합니다. 그 결과 정확도가 99%에 달합니다.

포토닉 큐비트: 장점과 과제

중첩, 얽힘 및 간섭은 양자 컴퓨팅과 직접적으로 관련된 양자 이론의 기본 아이디어입니다. 중첩은 입자가 동시에 여러 상태로 존재할 수 있다는 사실을 의미하고, 얽힘은 입자가 물리적 거리에 있어도 서로 관련될 수 있는 현상을 의미하며, 간섭은 입자가 서로 강화되거나 상쇄될 수 있는 현상을 의미합니다. .

양자 광원은 큐비트라고 알려진 양자 컴퓨터 및 양자 네트워크의 기본 구성 요소를 생성합니다. 광자 큐비트는 초전도 장치나 갇힌 원자를 기반으로 하는 큐비트를 포함하여 다른 형태의 큐비트에 비해 몇 가지 장점을 제공합니다. 예를 들어, 광자 큐비트는 환경 소음(취약한 양자 시스템을 방해할 수 있음)에 덜 민감하며 극저온으로 냉각할 필요가 없습니다.

그러나 광자 큐비트는 누출되기 쉬우므로 얽히기가 더 어렵습니다. 이는 여러 큐비트를 동시에 포함하는 계산에 필요한 단계입니다. 광 기반 양자 컴퓨터를 개선하려면 광자 통합이 필요합니다. 즉, 회로에 에칭된 미크론 폭의 도파관을 통해 이동하는 광자를 가두는 것입니다.

양자 기술

대규모로 생산할 수 있는 완전히 통합된 양자 프로세서를 개발하는 것은 양자 컴퓨터를 구축하는 데 있어 가장 어려운 장애물 중 하나입니다. 이온 큐비트를 트래핑하는 것은 일반적으로 개별 레이저 빔에 의해 제어되므로 정밀한 정렬이 필요하지만 큐비트 수가 증가하면 이 접근 방식은 실용적이지 않습니다.

수천만, 심지어 수백만 큐비트를 지원함으로써 미래의 양자 장치는 양자 컴퓨터의 복잡성을 줄여 확장성을 높이려고 노력할 것입니다. 이온 트랩 양자 컴퓨터는 이온화 후 양전하를 띠는 쿨롱 상호 작용을 통해 단일 원자를 큐비트로 사용합니다. 전자기장은 이러한 원자를 격자 패턴으로 배열하는 반면, 레이저는 전자의 상태를 변경하는 양자 게이트를 생성합니다.

이러한 큐비트에 대한 칩 수준 제어를 통합하는 것이 가장 큰 어려움입니다. 레이저는 기존 도구이지만 오류가 발생할 수 있고 결합이 어렵습니다.

주파수 얽힌 광자 쌍을 갖춘 레이저 통합 광자 양자 광원

설계

이 디자인은 양자 포토닉스의 많은 중요한 문제를 해결합니다. 광원은 질화 규소(si3n4) 기반 피드백 회로를 갖춘 하이브리드 통합 iii-v 반사형 반도체 광 증폭기(rsoa)입니다. 프라운호퍼 현대중공업이 제작한 길이 700m의 양자우물증폭기는 약 1,550nm의 이득을 제공한다. iii-v 도파관과 si3n4 도파관 사이의 접착 결합을 사용하여 광학 시스템이 완벽하게 정렬됩니다. 더 나은 성능을 위해 경사진 측면과 반사 방지 코팅이 후면 반사를 줄입니다.

도파관 피드백 회로의 통합은 고유한 레이저 선폭을 줄이고 노이즈를 제거하여 얽힌 광자의 안정성과 품질을 향상시킵니다. 또한 si3n4의 낮은 손실과 강한 비선형 굴절률은 고출력 작동과 효율적인 광자 생성을 촉진합니다. 양자 응용 분야에 대한 최적의 성능을 보장하기 위해 이 장치에는 신호 전송 및 광자 쌍 생성을 개선하는 mrr(마이크로링 공진기)도 포함되어 있습니다.

si3n4 피드백 회로는 버니어 효과를 기반으로 설계한 다중 마이크로링 공진기(mrr)로 구성됩니다. mrr은 효율적인 필터링과 단일 모드 레이저 작동을 보장하도록 정밀하게 설계되었으며, 손실을 줄이고 낮은 굽힘 반경을 유지하도록 링이 선택되었습니다. 열 튜닝을 위한 회로에는 저항성 히터도 포함되어 있어 피드백 메커니즘을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

반사율이 높은 코팅과 sagnac 루프는 균형 잡힌 피드백을 위해 mzi(mach-zehnder 간섭계)와 결합되어 레이저 공동의 거울을 형성합니다. 모드 매칭은 이득 칩, 피드백 칩 및 광섬유 사이의 손실을 최소화하도록 최적화되어 있으며, 편파 유지 광섬유에 연결된 추출 포트를 통해 최적의 효율성을 보장합니다. 버니어 필터링은 높은 smsr(측면 모드 억제 비율)을 달성하고 ase(증폭 자발 방출) 잡음을 크게 줄여 하이브리드 양자 소스의 잡음 억제 기능을 향상시킵니다.

이 설계의 가장 독특한 특징 중 하나는 mrr의 sfwm(자발적 4파장 혼합)에 의해 생성되는 신호 및 아이들러 광자 쌍의 차동 추출 효율입니다. 이 설계는 비고전적인 광자 쌍의 거의 100% 추출을 보장하는 동시에 출력에서 ​​펌프 광자의 존재를 최소화하여 양자 응용 분야의 전반적인 신호 품질을 향상시킵니다.

마이크로링 설계와 q 인자 튜닝은 일관성 길이, 광자 쌍 생성 속도 및 시스템 안정성의 균형을 유지하므로 시스템 성능에 중요합니다. 결합 계수와 열 효과를 주의 깊게 조정하면 일관성 시간을 높이고 손실을 최소화할 수 있으므로 이 시스템은 양자 통신 및 컴퓨팅 애플리케이션에 적합합니다.

이 완전히 통합된 접근 방식을 통해 실용적인 목적으로 사용할 수 있는 얽힌 광자를 작고 재현 가능하게 공급할 수 있으며, 이는 확장 가능한 양자 기술을 향한 중요한 단계입니다. 차세대 양자 통신 및 컴퓨팅 시스템의 강력한 경쟁자로서 광자 쌍 생성 속도와 car(사고 발생 비율)은 다른 플랫폼과 비슷합니다.

이 발견은 양자 광자 시스템의 전통적인 한계를 극복하고 보다 접근하기 쉽고 강력한 양자 장치의 길을 열어 양자 정보 처리 과학의 발전을 촉진합니다.

*면책조항: 이 기사는 원저자가 작성했습니다. 기사의 내용은 그의 개인적인 의견이며, 우리가 이에 동의하거나 동의한다는 의미는 아닙니다.