Onderzoekers hebben een nieuwe CMOS-compatibele siliciumfotonica-fotonenbron ontwikkeld die voldoet aan alle vereisten die nodig zijn voor grootschalige fotonische kwantumcomputers. Het onderzoek is een belangrijke stap in de richting van massaproductie van ideale enkelvoudige fotonbronnen.

Er is een wijdverbreide inspanning om op chips gebaseerde kwantumcomputers te ontwikkelen, omdat de volwassen CMOS-fabricageprocessen die worden gebruikt om de huidige computerchips te maken, de kosten van grootschalige kwantuminformatieverwerking aanzienlijk kunnen verlagen. Hoewel onderzoekers veel van de componenten hebben aangetoond die nodig zijn om kwantumcomputers te maken in siliciumchips, een on-chip enkele fotonbron is een uitdaging gebleken vanwege de strenge vraag om fotonen van hoge kwaliteit te maken.

Stefano Paesani van de Universiteit van Bristol in het VK zal het nieuwe onderzoek presenteren op de volledig virtuele OSA Grenzen in de optica en Laser Science APS/DLS (FiO + LS) conferentie van 14 t/m 17 september.

"Door geluidsarme fotonbronnen aan te tonen die tegelijkertijd voldoen aan alle vereisten voor grootschalige fotonische kwantumcomputers, we hebben een cruciale uitdaging overwonnen die de opschaling van kwantumfotonische technologieën had beperkt, " zei Paesani. "De technieken die in dit werk zijn ontwikkeld, kunnen de ontwikkeling van massa-produceerbare kwantumtechnologieën op chipschaal met meerdere jaren versnellen. Dergelijke technologieën beloven enorme rekenkundige kwantumversnellingen, onvoorwaardelijk veilige communicatie, en quantum-verbeterde sensoren."

Kwaliteitsfotonen maken

Zoals de naam impliceert, single-photon bronnen zenden licht uit als enkele fotonen. Ze zijn een belangrijk onderdeel van optische kwantumcomputers, die de fotonen gebruiken om gegevens in de vorm van qubits te dragen. Qubits kunnen tegelijkertijd in twee toestanden zijn en zullen interfereren, of correleren, met elkaar, waardoor veel processen tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd.

Enkele fotonbronnen die worden gebruikt in kwantumcomputers stellen zeer hoge eisen. Ze moeten zeer niet te onderscheiden en puur zijn, ofwel bijna deterministisch of zeer efficiënt, en geschikt voor massaproductie. Om aan al deze eisen te voldoen, Paesani en collega's ontwierpen een nieuwe single-photon source gebaseerd op intermodale spontane vier-wave mixing in een multi-mode silicium golfgeleider.

De intermodale benadering van on-chip fotonbronnen, waarbij een samenspel tussen meerdere optische pompvelden wordt gebruikt om fotonen te genereren, maakt nieuwe vrijheidsgraden mogelijk om de fotonenemissie te regelen. Door de geometrie van een verliesarme multi-mode golfgeleider en de tijdelijke vertraging op de chip tussen de pompvelden aan te passen, het onderzoeksteam toonde aan dat de eigenschappen van de spontane fotonenemissie kunnen worden gemanipuleerd om bijna ideale fotonen te bereiken.

Om het nieuwe ontwerp te testen, de onderzoekers fabriceerden apparaten met één foton op standaard silicium-op-isolator met behulp van CMOS-compatibele lithografieprocessen op een commerciële wafer. Tests van de apparaten hebben aangetoond dat de multi-mode golfgeleiders de transmissieverliezen aanzienlijk verminderden, waardoor een intrinsieke aankondigingsefficiëntie van de bron van ongeveer 90% mogelijk is. Een hoge aankondigingsefficiëntie is nodig om quantumverwerking op te schalen.

De onderzoekers voerden ook on-chip fotoninterferentie uit, wat essentieel is voor kwantumberekeningen. Deze experimenten produceerden een zichtbaarheid van onbewerkte gegevens van 96%, de hoogste tot nu toe gerapporteerd in geïntegreerde fotonica. Deze prestatie maakt on-chip kwantumbewerkingen tussen fotonen mogelijk met een ongekend niveau van precisie, de mogelijkheid openen om geluidsarme fotonverwerking op te schalen in kwantumfotonische apparaten op korte termijn.

De onderzoekers zeggen dat de single-photon-bron verder kan worden verbeterd met een betere pomplaser en door een meer uniform fabricageproces te gebruiken.