Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Bristol heeft de eerste geïntegreerde fotonenbron ontwikkeld met het potentieel om grootschalige kwantumfotonica te leveren.

De ontwikkeling van kwantumtechnologieën belooft een diepgaande impact te hebben op de hele wetenschap, techniek en maatschappij. Kwantumcomputers op grote schaal zullen in staat zijn om hardnekkige problemen op te lossen op zelfs de krachtigste huidige supercomputers, met veel revolutionaire toepassingen, bijvoorbeeld, bij het ontwerpen van nieuwe medicijnen en materialen.

Geïntegreerde kwantumfotonica is een veelbelovend platform voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën vanwege het vermogen om fotonen - afzonderlijke lichtdeeltjes - te genereren en te controleren in geminiaturiseerde complexe optische circuits. Door gebruik te maken van de volwassen CMOS-siliciumindustrie voor de fabricage van geïntegreerde apparaten, kunnen circuits met het equivalent van duizenden optische vezels en componenten worden geïntegreerd op een enkele millimeterschaalchip.

Er is veel vraag naar het gebruik van geïntegreerde fotonica voor het ontwikkelen van schaalbare kwantumtechnologieën. De Universiteit van Bristol is een pionier op dit gebied, zoals blijkt uit nieuw onderzoek gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Dr. Stefano Paesani, hoofdauteur legt uit:

"Een belangrijke uitdaging die de schaalbaarheid van geïntegreerde kwantumfotonica heeft beperkt, is het gebrek aan on-chip bronnen die hoogwaardige enkelvoudige fotonen kunnen genereren. Zonder geluidsarme fotonbronnen, fouten in een kwantumberekening stapelen zich snel op bij het vergroten van de circuitcomplexiteit, waardoor de berekening niet langer betrouwbaar is. Bovendien, optische verliezen in de bronnen beperken het aantal fotonen dat de quantumcomputer kan produceren en verwerken.

"In dit werk hebben we een manier gevonden om dit op te lossen en daarbij hebben we de eerste geïntegreerde fotonenbron ontwikkeld die compatibel is met grootschalige kwantumfotonica. Om fotonen van hoge kwaliteit te bereiken, we hebben een nieuwe techniek ontwikkeld - "intermodale spontane viergolfmenging" - waarbij de meerdere modi van licht dat zich door een siliciumgolfgeleider voortplant, niet-lineair worden verstoord, het creëren van ideale omstandigheden voor het genereren van enkele fotonen."

Samen met collega's van de Universiteit van Trento in Italië, het team van prof. Anthony Laing's groep in de Quantum Engineering Technology Labs (QETLabs) van Bristol heeft het gebruik van dergelijke bronnen voor fotonische kwantumcomputers gebenchmarkt in een aangekondigd Hong-Ou-Mandel-experiment, een bouwsteen van optische kwantuminformatieverwerking, en verkreeg de hoogste kwaliteit on-chip fotonische kwantuminterferentie ooit waargenomen (96% zichtbaarheid).

Dr. Paesani zei:"Het apparaat demonstreerde verreweg de beste prestaties voor elke geïntegreerde fotonbron:spectrale zuiverheid en ononderscheidbaarheid van 99% en> 90% foton kondigt efficiëntie aan."

belangrijk, het silicium fotonische apparaat werd vervaardigd via CMOS-compatibele processen in een commerciële gieterij, wat betekent dat duizenden bronnen eenvoudig op één apparaat kunnen worden geïntegreerd. Het onderzoek, gefinancierd door de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) Hub in Quantum Computing and Simulation en de European Research Council (ERC), vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van het bouwen van kwantumcircuits op schaal en maakt de weg vrij voor verschillende toepassingen.

"We hebben een kritieke reeks geluiden opgelost die eerder de schaling van fotonische kwantuminformatieverwerking hadden beperkt. arrays van honderden van deze bronnen kunnen worden gebruikt voor het bouwen van fotonische machines op de korte termijn met ruis op gemiddelde schaal (NISQ), waar tientallen fotonen kunnen worden verwerkt om gespecialiseerde taken op te lossen, zoals de simulatie van moleculaire dynamica of bepaalde optimalisatieproblemen met betrekking tot grafentheorie."

Nu hebben onderzoekers bedacht hoe ze bijna perfecte fotonbronnen kunnen bouwen, in de komende maanden zullen ze dankzij de schaalbaarheid van het Silicon-platform tientallen tot honderden op één chip kunnen integreren. Door circuits op een dergelijke schaal te ontwikkelen, kunnen NISQ-fotonische kwantummachines industrieel relevante problemen oplossen die de huidige supercomputers te boven gaan.

"Verder, met geavanceerde optimalisatie en miniaturisatie van de fotonenbron, onze technologie kan leiden tot fouttolerante kwantumbewerkingen in het geïntegreerde fotonicaplatform, het volledige potentieel van kwantumcomputers ontketenen, " zei dr. Paesani.