Een internationaal team van kwantumwetenschappers en ingenieurs onder leiding van de Universiteit van Bristol en met groepen uit China, Denemarken, Spanje, Duitsland en Polen, hebben een geavanceerd grootschalig silicium kwantumfotonisch apparaat gerealiseerd dat fotonen tot ongelooflijke precisie kan verstrengelen.

Terwijl standaard kwantumhardware deeltjes in twee toestanden verstrengelt, het team heeft een manier gevonden om paren deeltjes te genereren en te verstrengelen die elk 15 toestanden hebben.

De geïntegreerde fotonische chip zet een nieuwe standaard voor complexiteit en precisie van kwantumfotonica, met onmiddellijke toepassingen voor kwantumtechnologieën.

Geïntegreerde kwantumfotonica maakt de routering en controle van afzonderlijke lichtdeeltjes mogelijk met intrinsiek hoge stabiliteit en precisie, tot op heden is het echter beperkt gebleven tot kleinschalige demonstraties waarbij slechts een klein aantal componenten op een chip is geïntegreerd.

Het opschalen van deze kwantumcircuits is van het grootste belang om de complexiteit en rekenkracht van moderne kwantuminformatieverwerkingstechnologieën te vergroten, het openen van de mogelijkheid van vele revolutionaire toepassingen.

Het team, onder leiding van wetenschappers van de Quantum Engineering Technology Laboratories (QET Labs) van de Universiteit van Bristol heeft het eerste grootschalige geïntegreerde kwantumfotonische circuit ooit aangetoond, die honderden essentiële componenten integreert, kan genereren, controleer en analyseer hoogdimensionale verstrengeling met een ongekend niveau van precisie.

De kwantumchip is gerealiseerd met behulp van een schaalbare siliciumfotonica-technologie, vergelijkbaar met de hedendaagse elektronische schakelingen, die een pad zou bieden om massieve componenten te vervaardigen voor de realisatie van een optische kwantumcomputer.

Het werk, in samenwerking met de Universiteit van Peking, Technische Universiteit van Denemarken (DTU), Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO), Max Planck Instituut, Centrum voor Theoretische Fysica van de Poolse Academie van Wetenschappen, en Universiteit van Kopenhagen, is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

De coherente en nauwkeurige controle van grote kwantumapparaten en complexe multidimensionale verstrengelingssystemen was een uitdagende taak vanwege de complexe interacties van gecorreleerde deeltjes in grote kwantumsystemen. Er is onlangs aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van de realisatie van grootschalige kwantumapparaten op verschillende platforms, waaronder fotonen, supergeleiders, ionen, stippen en defecten.

Vooral, fotonica vertegenwoordigt een veelbelovende benadering voor het op natuurlijke wijze coderen en verwerken van multidimensionale qudit-toestanden in de verschillende vrijheidsgraden van het foton.

In dit werk, een programmeerbaar pad-gecodeerd multidimensionaal verstrengeld systeem met afmetingen tot 15×15 wordt gedemonstreerd, waar twee fotonen tegelijkertijd over 15 optische paden bestaan ​​en met elkaar verstrengeld zijn.

Deze multidimensionale verstrengeling wordt gerealiseerd door gebruik te maken van silicium-fotonica kwantumcircuits, integreren in een enkele chip, 550 optische componenten, inclusief 16 identieke fotonpaarbronnen, 93 optische faseverschuivers, 122 bundelsplitsers.

Hoofdauteur, Dr. Jianwei Wang, zei:"Het is de volwassenheid van de huidige siliciumfotonica die ons in staat stelt om de technologie op te schalen en een grootschalige integratie van kwantumcircuits te bereiken.

"Dit is het mooiste van kwantumfotonica op silicium. Onze kwantumchip stelt ons in staat om ongekende niveaus van precisie en controle van multidimensionale verstrengeling te bereiken, een sleutelfactor in veel kwantuminformatietaken van computergebruik en communicatie."

senior onderzoeker, corresponderende auteur Yunhong Ding van DTU, Centrum voor siliciumfotonica voor optische communicatie (SPOC), toegevoegd:"Nieuwe technologieën maken altijd nieuwe toepassingen mogelijk.

"De mogelijkheden van onze geïntegreerde siliciumfotonica-technologieën bij DTU maken grootschalige, zeer stabiele kwantuminformatieverwerkingschips, waarmee we hoogwaardige multidimensionale kwantumcorrelaties kunnen observeren, inclusief gegeneraliseerde Bell- en EPR-stuurovertredingen, en ook om experimenteel onontgonnen multidimensionale kwantumprotocollen te implementeren:multidimensionale willekeursuitbreiding en zelftests van de staat."

Dr. Anthony Laing, een leidende academicus in Bristol's QETLabs en corresponderende auteur, zei:"Verstrengeling is een fascinerend kenmerk van de kwantummechanica en een dat we nog niet volledig begrijpen. Dit apparaat en toekomstige generaties chips van toenemende complexiteit en verfijning zullen ons in staat stellen dit rijk van de kwantumwetenschap te verkennen en nieuwe ontdekkingen te doen."

Professor Mark Thompson, leider van het Bristol-team, toegevoegd:"We hebben dezelfde productietools en -technieken gebruikt die worden gebruikt in de huidige micro-elektronica-industrie om onze silicium-kwantumfotonische microchip te realiseren. in tegenstelling tot conventionele elektronische circuits die gebruik maken van het klassieke gedrag van elektronen, onze circuits maken gebruik van de kwantumeigenschappen van een enkel lichtdeeltje. Deze siliciumfotonica-benadering van kwantumtechnologieën biedt een duidelijk pad naar opschaling naar de vele miljoenen componenten die uiteindelijk nodig zijn voor grootschalige kwantumcomputertoepassingen."