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la expansión de la computación cuántica utilizando fuentes de luz entrelazadas integradas supera las limitaciones tradicionales de los sistemas fotónicos cuánticos.

recientemente, un equipo de investigación internacional de la universidad leibniz de hannover, la universidad de twente y la startup quix quantum demostraron una fuente de luz cuántica entrelazada totalmente integrada en un chip. este avance marca un paso importante hacia la escalabilidad de la tecnología cuántica, permitiendo la integración de fuentes de luz cuánticas en dispositivos pequeños y estables. la investigación científica ha sido publicada en nature photonics.

las fuentes de luz cuánticas en chip constan de tres componentes principales: un medio no lineal que genera pares de fotones entrelazados, un láser y un filtro que garantiza la estabilidad del láser dentro de una determinada banda de frecuencia.

el equipo utilizó este diseño para crear una fuente de luz cuántica con una cavidad láser, un filtro de supresión de ruido sintonizable altamente eficiente (>55 db) que utiliza el efecto vernier y un dieléctrico de microanillo no lineal para su uso en anchos de banda de telecomunicaciones (pares de fotones mezclados naturalmente en cuatro). modos de resonancia con un ancho de banda de aproximadamente 1 thz). la fuente puede detectar pares de fotones a una velocidad asombrosa de ~620 hz y tiene una alta relación coincidencia/accidente de ~80.

una novedosa tecnología híbrida combina un láser de fosfuro de indio con un filtro de nitruro de silicio en un solo chip, lo que permite reducir el tamaño de la fuente de luz. esta tecnología es adecuada paracomputación cuánticay redes cuánticas, porque pueden reducir el tamaño de las fuentes de luz en más de 1.000 veces. los investigadores afirman que hasta hace poco las fuentes de luz cuánticas requerían sistemas láser grandes y externos, lo que dificultaba su uso en el campo. a pesar de estos obstáculos, los han superado con una nueva arquitectura de chip y varias plataformas de conectividad.

la interferometría cuántica con visibilidad de hasta el 96 % y la reconstrucción de la matriz de densidad a partir de tomografía de estado confirman que la fuente genera directamente estados cuánticos entrelazados (qubits) con densidad de alta frecuencia. esto da como resultado una fidelidad de hasta el 99%.

qubits fotónicos: ventajas y desafíos

la superposición, el entrelazamiento y la interferencia son ideas fundamentales de la teoría cuántica que son directamente relevantes para la computación cuántica. la superposición se refiere al hecho de que una partícula puede existir en varios estados al mismo tiempo; el entrelazamiento se refiere al fenómeno de que las partículas pueden estar relacionadas entre sí incluso a una distancia física; la interferencia se refiere al fenómeno de que las partículas pueden potenciarse o anularse entre sí; .

las fuentes de luz cuánticas producen los componentes fundamentales de las computadoras y redes cuánticas, conocidos como qubits. los qubits fotónicos ofrecen varias ventajas sobre otras formas de qubits, incluidos los basados ​​en dispositivos superconductores o átomos atrapados. por ejemplo, los qubits fotónicos son menos susceptibles al ruido ambiental (que puede alterar los frágiles sistemas cuánticos) y no necesitan enfriarse a temperaturas criogénicas.

pero los qubits fotónicos son más propensos a sufrir fugas y, por lo tanto, más difíciles de entrelazar, un paso necesario para cálculos que involucran múltiples qubits simultáneamente. mejorar las computadoras cuánticas basadas en luz requiere integración fotónica: el confinamiento de fotones que viajan en guías de ondas de micras de ancho grabadas en circuitos.

tecnología cuántica

el desarrollo de procesadores cuánticos totalmente integrados que puedan producirse a escala es uno de los obstáculos más espinosos en la construcción de computadoras cuánticas. la captura de qubits de iones normalmente se controla mediante rayos láser individuales, lo que requiere una alineación precisa, pero este enfoque se vuelve poco práctico cuando aumenta el número de qubits.

al permitir decenas o incluso millones de qubits, los futuros dispositivos cuánticos buscarán reducir la complejidad de las computadoras cuánticas y así aumentar la escalabilidad. las computadoras cuánticas con trampa de iones utilizan átomos individuales como qubits a través de interacciones de coulomb, que quedan cargadas positivamente después de la ionización. los campos electromagnéticos organizan estos átomos en patrones reticulares, mientras que los láseres crean puertas cuánticas que cambian el estado del electrón.

incorporar el control a nivel de chip de estos qubits es la mayor dificultad. aunque son herramientas convencionales, los láseres pueden provocar errores y son difíciles de combinar.

fuente de luz cuántica de fotones integrada con láser con pares de fotones entrelazados en frecuencia

diseño

el diseño resuelve muchos problemas importantes de la fotónica cuántica. la fuente de luz es un amplificador óptico semiconductor reflectante (rsoa) híbrido integrado iii-v con un circuito de retroalimentación basado en nitruro de silicio (si3n4). el amplificador de pozo cuántico de 700 metros de longitud fabricado por fraunhofer hhi produce una ganancia de aproximadamente 1.550 nm. utilizando una unión adhesiva entre la guía de ondas iii-v y la guía de ondas si3n4, el sistema óptico tiene una alineación perfecta. para un mejor rendimiento, los lados inclinados y los revestimientos antirreflectantes reducen los reflejos.

la integración del circuito de retroalimentación de la guía de ondas reduce el ancho de línea del láser intrínseco y elimina el ruido, mejorando así la estabilidad y la calidad de los fotones entrelazados. además, la baja pérdida y el fuerte índice de refracción no lineal del si3n4 facilitan el funcionamiento de alta potencia y la generación eficiente de fotones. para garantizar un rendimiento óptimo para aplicaciones cuánticas, el dispositivo también incluye un resonador de microanillo (mrr) para mejorar la transmisión de señales y la generación de pares de fotones.

el circuito de retroalimentación de si3n4 consta de múltiples resonadores de microanillos (mrr) cuyo diseño se basa en el efecto vernier. el mrr está dimensionado con precisión para garantizar un filtrado eficiente y un funcionamiento del láser monomodo; el anillo se selecciona para reducir las pérdidas y mantener un radio de curvatura bajo. también se incluye un calentador resistivo en el circuito para ajuste térmico, de modo que el mecanismo de retroalimentación pueda controlarse con precisión.

recubrimientos altamente reflectantes y bucles de sagnac, combinados con un interferómetro mach-zehnder (mzi) para una retroalimentación equilibrada, forman el espejo de la cavidad del láser. la coincidencia de modo está optimizada para minimizar las pérdidas entre el chip de ganancia, el chip de retroalimentación y la fibra, asegurando una eficiencia óptima a través del puerto de extracción conectado a la fibra que mantiene la polarización. el filtrado vernier logra una alta relación de supresión de modo lateral (smsr) y reduce significativamente el ruido de emisión espontánea amplificada (ase), mejorando así la capacidad de supresión de ruido de las fuentes cuánticas híbridas.

una de las características más singulares de este diseño es la eficiencia de extracción diferencial de los pares de señales y fotones inactivos, que se generan mediante la mezcla espontánea de cuatro ondas (sfwm) en el mrr. el diseño garantiza casi el 100% de extracción de pares de fotones no clásicos y al mismo tiempo minimiza la presencia de fotones de bombeo en la salida, mejorando así la calidad general de la señal para aplicaciones cuánticas.

el diseño de microanillos y el ajuste del factor q son importantes para el rendimiento del sistema porque equilibran la longitud de coherencia, la tasa de generación de pares de fotones y la estabilidad del sistema. este sistema es perfecto para aplicaciones informáticas y de comunicación cuántica porque el ajuste cuidadoso de los coeficientes de acoplamiento y los efectos térmicos permite tiempos de coherencia elevados y pérdidas mínimas.

este enfoque totalmente integrado permite un suministro pequeño y reproducible de fotones entrelazados que pueden usarse con fines prácticos, lo que marca un paso importante hacia tecnologías cuánticas escalables. como fuerte competidor para los sistemas informáticos y de comunicación cuántica de próxima generación, la tasa de generación de pares de fotones y la relación de coincidencia con accidentes (car) son comparables a otras plataformas.

este descubrimiento supera las limitaciones tradicionales de los sistemas fotónicos cuánticos y abre el camino hacia dispositivos cuánticos más accesibles y potentes, promoviendo así el desarrollo de la ciencia del procesamiento de información cuántica.

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