este artigo foi compilado e incorporado pela semiconductor industry perspective (id: icviews)
a expansão da computação quântica usando fontes de luz emaranhadas integradas supera as limitações tradicionais dos sistemas fotônicos quânticos.
recentemente, uma equipe de pesquisa internacional da universidade leibniz de hannover, da universidade de twente e da startup quix quantum demonstrou uma fonte de luz quântica emaranhada totalmente integrada em um chip. este avanço marca um passo importante em direção à escalabilidade da tecnologia quântica, permitindo que fontes de luz quântica sejam integradas em pequenos dispositivos estáveis. a pesquisa científica foi publicada na nature photonics.
as fontes de luz quântica no chip consistem em três componentes principais: um meio não linear que gera pares de fótons emaranhados, um laser e um filtro que garante a estabilidade do laser dentro de uma determinada banda de frequência.
a equipe usou esse layout para fabricar uma fonte de luz quântica com uma cavidade de laser, um filtro de supressão de ruído ajustável altamente eficiente (> 55 db) usando o efeito vernier e um dielétrico de microanel não linear para uso em larguras de banda de telecomunicações (pares de fótons naturalmente misturados em quatro modos de ressonância com largura de banda de aproximadamente 1 thz). a fonte pode detectar pares de fótons a uma taxa surpreendente de ~620 hz e tem uma alta relação coincidência/acidente de ~80.
uma nova tecnologia híbrida combina um laser de fosfeto de índio com um filtro de nitreto de silício em um único chip, tornando possível diminuir o tamanho da fonte de luz. esta tecnologia é adequada paracomputação quânticae redes quânticas, que podem reduzir o tamanho das fontes de luz em mais de 1.000 vezes. os pesquisadores afirmam que até recentemente, as fontes de luz quântica exigiam grandes sistemas de laser externos, o que dificultava seu uso em campo. apesar desses obstáculos, eles os superaram com uma nova arquitetura de chip e diversas plataformas de conectividade.
a interferometria quântica com visibilidade de até 96% e a reconstrução da matriz de densidade a partir da tomografia de estado confirmam que a fonte gera diretamente estados quânticos emaranhados (qubits) com densidade de alta frequência. isso resulta em fidelidade de até 99%.
qubits fotônicos: vantagens e desafios
superposição, emaranhamento e interferência são ideias fundamentais na teoria quântica que são diretamente relevantes para a computação quântica. a superposição refere-se ao fato de que uma partícula pode existir em vários estados ao mesmo tempo. o emaranhamento refere-se ao fenômeno de que as partículas podem estar relacionadas entre si mesmo a uma distância física. a interferência refere-se ao fenômeno de que as partículas podem aumentar ou cancelar umas às outras; .
as fontes de luz quântica produzem os componentes fundamentais dos computadores e redes quânticas, conhecidos como qubits. os qubits fotônicos oferecem diversas vantagens sobre outras formas de qubits, incluindo aqueles baseados em dispositivos supercondutores ou átomos aprisionados. por exemplo, os qubits fotônicos são menos suscetíveis ao ruído ambiental (que pode perturbar sistemas quânticos frágeis) e não precisam ser resfriados a temperaturas criogênicas.
mas os qubits fotônicos são mais propensos a vazamentos e, portanto, mais difíceis de emaranhar – uma etapa necessária para cálculos que envolvem vários qubits simultaneamente. melhorar os computadores quânticos baseados em luz requer integração fotônica – o confinamento de fótons viajando em guias de onda de mícrons gravados em circuitos.
tecnologia quântica
o desenvolvimento de processadores quânticos totalmente integrados que possam ser produzidos em escala é um dos obstáculos mais espinhosos na construção de computadores quânticos. a captura de qubits de íons é normalmente controlada por feixes de laser individuais, exigindo alinhamento preciso, mas essa abordagem se torna impraticável quando o número de qubits aumenta.
ao permitir dezenas ou mesmo milhões de qubits, os futuros dispositivos quânticos procurarão reduzir a complexidade dos computadores quânticos e, assim, aumentar a escalabilidade. os computadores quânticos com armadilha de íons usam átomos únicos como qubits por meio de interações de coulomb, que se tornam carregados positivamente após a ionização. os campos eletromagnéticos organizam esses átomos em padrões de rede, enquanto os lasers criam portas quânticas que alteram o estado do elétron.
incorporar o controle em nível de chip desses qubits é a maior dificuldade. embora sejam ferramentas convencionais, os lasers podem causar erros e são difíceis de combinar.
fonte de luz quântica de fótons integrada a laser com pares de fótons emaranhados em frequência
projeto
o projeto resolve muitos problemas importantes em fotônica quântica. a fonte de luz é um amplificador óptico semicondutor reflexivo iii-v integrado híbrido (rsoa) com um circuito de feedback baseado em nitreto de silício (si3n4). o amplificador de poço quântico de 700 metros de comprimento fabricado pela fraunhofer hhi produz um ganho de aproximadamente 1.550 nm. utilizando uma ligação adesiva entre o guia de ondas iii-v e o guia de ondas si3n4, o sistema óptico possui alinhamento perfeito. para melhor desempenho, as laterais inclinadas e os revestimentos antirreflexos reduzem os reflexos traseiros.
a integração do circuito de feedback do guia de ondas reduz a largura de linha intrínseca do laser e elimina o ruído, melhorando assim a estabilidade e a qualidade dos fótons emaranhados. além disso, a baixa perda e o forte índice de refração não linear do si3n4 facilitam a operação de alta potência e a geração eficiente de fótons. para garantir o desempenho ideal para aplicações quânticas, o dispositivo também inclui um ressonador de microanel (mrr) para melhorar a transmissão do sinal e a geração de pares de fótons.
o circuito de feedback si3n4 consiste em múltiplos ressonadores de microanel (mrrs) cujo design é baseado no efeito vernier. o mrr é dimensionado com precisão para garantir filtragem eficiente e operação do laser monomodo; o anel é selecionado para reduzir perdas e manter um raio de curvatura baixo; um aquecedor resistivo também está incluído no circuito para ajuste térmico, para que o mecanismo de feedback possa ser controlado com precisão.
revestimentos altamente reflexivos e loops sagnac, combinados com um interferômetro mach-zehnder (mzi) para feedback balanceado, formam o espelho da cavidade do laser. a correspondência de modo é otimizada para minimizar perdas entre o chip de ganho, o chip de feedback e a fibra, garantindo eficiência ideal através da porta de extração conectada à fibra de manutenção da polarização. a filtragem vernier atinge alta taxa de supressão de modo lateral (smsr) e reduz significativamente o ruído de emissão espontânea amplificada (ase), aumentando assim a capacidade de supressão de ruído de fontes quânticas híbridas.
uma das características mais exclusivas deste projeto é a eficiência de extração diferencial de pares de sinais e fótons inativos, que são gerados pela mistura espontânea de quatro ondas (sfwm) no mrr. o design garante quase 100% de extração de pares de fótons não clássicos, ao mesmo tempo que minimiza a presença de fótons de bomba na saída, melhorando assim a qualidade geral do sinal para aplicações quânticas.
o projeto de microanel e o ajuste do fator q são importantes para o desempenho do sistema porque equilibram o comprimento de coerência, a taxa de geração de pares de fótons e a estabilidade do sistema. este sistema é perfeito para aplicações de comunicação e computação quântica porque o ajuste cuidadoso dos coeficientes de acoplamento e efeitos térmicos permite tempos de coerência elevados e perdas mínimas.
esta abordagem totalmente integrada permite um fornecimento pequeno e reproduzível de fótons emaranhados que podem ser usados para fins práticos, marcando um passo importante em direção a tecnologias quânticas escaláveis. como um forte concorrente para sistemas de comunicação e computação quântica de próxima geração, a taxa de geração de pares de fótons e a taxa de coincidência com acidentes (car) são comparáveis a outras plataformas.
esta descoberta supera as limitações tradicionais dos sistemas fotônicos quânticos e abre caminho para dispositivos quânticos mais acessíveis e poderosos, promovendo assim o desenvolvimento da ciência do processamento de informações quânticas.
*isenção de responsabilidade: este artigo foi criado pelo autor original. o conteúdo do artigo é sua opinião pessoal. nossa reimpressão é apenas para compartilhamento e discussão. não significa que concordamos ou concordamos com ele.
