эта статья была составлена ​​и внедрена компанией semiconductor industry perspective (id: icviews).

расширение квантовых вычислений с использованием интегрированных источников запутанного света преодолевает традиционные ограничения квантовых фотонных систем.

недавно международная исследовательская группа из университета лейбница в ганновере, университета твенте и стартапа quix quantum продемонстрировала на чипе полностью интегрированный запутанный квантовый источник света. этот прорыв знаменует собой важный шаг на пути к масштабируемости квантовой технологии, позволяя интегрировать квантовые источники света в стабильные небольшие устройства. научное исследование опубликовано в журнале nature photonics.

встроенные источники квантового света состоят из трех основных компонентов: нелинейной среды, генерирующей пары запутанных фотонов, лазера и фильтра, обеспечивающего стабильность лазера в определенном диапазоне частот.

команда использовала эту схему для создания квантового источника света с лазерным резонатором, высокоэффективного (>55 дб) настраиваемого фильтра шумоподавления с использованием эффекта вернье и нелинейного микрокольцевого диэлектрика для использования в телекоммуникационных полосах пропускания (естественно смешанные пары фотонов в четырех резонансные моды с полосой пропускания около 1 тгц). источник может обнаруживать пары фотонов с поразительной скоростью ~620 гц и имеет высокое соотношение совпадений/случайностей ~80.

новая гибридная технология объединяет лазер на фосфиде индия с фильтром из нитрида кремния на одном чипе, что позволяет уменьшить размер источника света. эта технология подходит дляквантовые вычисленияи квантовые сети, поскольку они могут уменьшить размер источников света более чем в 1000 раз. исследователи утверждают, что до недавнего времени для создания квантовых источников света требовались внешние и большие лазерные системы, что затрудняло их использование в полевых условиях. несмотря на эти препятствия, они преодолели их с помощью новой архитектуры чипов и различных платформ подключения.

квантовая интерферометрия с видимостью до 96% и реконструкция матрицы плотности на основе томографии состояний подтверждают, что источник напрямую генерирует запутанные квантовые состояния (кубиты) с высокой плотностью частот. это обеспечивает точность до 99%.

фотонные кубиты: преимущества и проблемы

суперпозиция, запутанность и интерференция — фундаментальные идеи квантовой теории, имеющие непосредственное отношение к квантовым вычислениям. суперпозиция относится к тому факту, что частица может существовать в нескольких состояниях одновременно; запутанность относится к явлению, при котором частицы могут быть связаны друг с другом даже на физическом расстоянии. .

квантовые источники света производят фундаментальные компоненты квантовых компьютеров и квантовых сетей, известные как кубиты. фотонные кубиты имеют ряд преимуществ перед другими формами кубитов, в том числе на основе сверхпроводящих устройств или захваченных атомов. например, фотонные кубиты менее восприимчивы к шуму окружающей среды (который может разрушить хрупкие квантовые системы) и их не нужно охлаждать до криогенных температур.

но фотонные кубиты более склонны к утечке и, следовательно, их труднее запутать — необходимый шаг для вычислений с участием нескольких кубитов одновременно. улучшение квантовых компьютеров на основе света требует фотонной интеграции — удержания фотонов, движущихся в волноводах микронной ширины, выгравированных в схемах.

квантовые технологии

разработка полностью интегрированных квантовых процессоров, которые можно будет производить в больших масштабах, является одним из самых сложных препятствий на пути создания квантовых компьютеров. захват ионных кубитов обычно контролируется отдельными лазерными лучами, что требует точного выравнивания, но этот подход становится непрактичным, когда количество кубитов увеличивается.

включив десятки или даже миллионы кубитов, будущие квантовые устройства будут стремиться снизить сложность квантовых компьютеров и тем самым повысить масштабируемость. квантовые компьютеры с ионной ловушкой используют отдельные атомы в качестве кубитов посредством кулоновских взаимодействий, которые после ионизации становятся положительно заряженными. электромагнитные поля упорядочивают эти атомы в решетчатые структуры, а лазеры создают квантовые ворота, которые изменяют состояние электрона.

самая большая трудность заключается в обеспечении контроля над этими кубитами на уровне чипа. хотя это обычные инструменты, лазеры могут вызывать ошибки, и их трудно комбинировать.

лазерный интегрированный фотонный квантовый источник света с частотно-запутанными парами фотонов

дизайн

конструкция решает многие важные проблемы квантовой фотоники. источник света представляет собой гибридный интегральный отражательный полупроводниковый оптический усилитель iii-v (rsoa) со схемой обратной связи на основе нитрида кремния (si3n4). усилитель с квантовой ямой длиной 700 метров производства fraunhofer hhi обеспечивает коэффициент усиления примерно 1550 нм. благодаря клеевому соединению волновода iii-v и волновода si3n4 оптическая система имеет идеальное выравнивание. для повышения производительности наклонные стороны и антибликовое покрытие уменьшают обратные отражения.

интеграция волноводной схемы обратной связи уменьшает собственную ширину линии лазера и устраняет шум, тем самым улучшая стабильность и качество запутанных фотонов. кроме того, низкие потери и высокий нелинейный показатель преломления si3n4 способствуют работе на высокой мощности и эффективной генерации фотонов. чтобы обеспечить оптимальную производительность для квантовых приложений, устройство также включает в себя микрокольцевой резонатор (mrr) для улучшения передачи сигнала и генерации пар фотонов.

цепь обратной связи si3n4 состоит из нескольких микрокольцевых резонаторов (mrr), конструкция которых основана на эффекте нониуса. размер mrr точно рассчитан для обеспечения эффективной фильтрации и работы одномодового лазера; кольцо выбрано таким образом, чтобы уменьшить потери и сохранить малый радиус изгиба; в схему также включен резистивный нагреватель для тепловой настройки, позволяющий точно управлять механизмом обратной связи.

покрытия с высокой отражающей способностью и петли саньяка в сочетании с интерферометром маха-цендера (mzi) для сбалансированной обратной связи образуют зеркало резонатора лазера. согласование режимов оптимизировано для минимизации потерь между чипом усиления, чипом обратной связи и волокном, обеспечивая оптимальную эффективность через порт вывода, подключенный к волокну, поддерживающему поляризацию. нониусная фильтрация обеспечивает высокий коэффициент подавления боковых мод (smsr) и значительно снижает шум усиленного спонтанного излучения (ase), тем самым улучшая возможности подавления шума гибридных квантовых источников.

одной из наиболее уникальных особенностей этой конструкции является дифференциальная эффективность выделения пар сигнальных и холостой фотонов, которые генерируются спонтанным четырехволновым смешением (sfwm) в mrr. конструкция гарантирует почти 100% извлечение неклассических пар фотонов при минимизации присутствия фотонов накачки на выходе, тем самым улучшая общее качество сигнала для квантовых приложений.

конструкция микрокольца и настройка добротности важны для производительности системы, поскольку они балансируют длину когерентности, скорость генерации пар фотонов и стабильность системы. эта система идеально подходит для квантовой связи и вычислительных приложений, поскольку тщательная настройка коэффициентов связи и тепловых эффектов обеспечивает высокое время когерентности и минимальные потери.

этот полностью интегрированный подход обеспечивает небольшую и воспроизводимую поставку запутанных фотонов, которые можно использовать в практических целях, что знаменует собой важный шаг на пути к масштабируемым квантовым технологиям. будучи сильным претендентом на создание квантовых коммуникационных и вычислительных систем следующего поколения, скорость генерации пар фотонов и соотношение совпадений и случайностей (car) сопоставимы с другими платформами.

это открытие преодолевает традиционные ограничения квантовых фотонных систем и открывает путь к более доступным и мощным квантовым устройствам, способствуя тем самым развитию науки о квантовой обработке информации.

*отказ от ответственности: эта статья была создана первоначальным автором. содержание статьи является его личным мнением. наша перепечатка предназначена только для распространения и обсуждения.