Deze verschillende systemen kunnen worden gekoppeld met behulp van kwantumprocessen om kwantumcommunicatienetwerken te vormen. Veilige communicatie, gedistribueerde kwantumcomputing en kwantumdetectie zijn slechts enkele van de opmerkelijke potentiële toepassingen.

Gedurende meer dan drie decennia van Quantum 2.0 – de periode van kwantum-R&D die de ontwikkeling beslaat van kwantumapparaten, systemen en protocollen om kwantumverstrengeling te genereren en te gebruiken – vereiste de overgrote meerderheid van de experimenten omvangrijke optica en gespecialiseerde uitlijningsschema’s die vaak grote optische systemen voor speciale doeleinden omvatten. tafels die pneumatisch zweven om de kleinste mechanische trillingen te vermijden.

Op vrijwel dezelfde manier waarop geminiaturiseerde silicium geïntegreerde elektronica de evolutie van computerprocessors mogelijk maakte, van grootschalige assemblages van condensatoren, buizen en magneten op kamerschaal tot kleine maar krachtige microchips met miljoenen en miljoenen componenten waarop onze moderne en ‘slimme’ technologieën zijn gebaseerd; Kwantumcomponenten en -processen moeten worden geminiaturiseerd met behulp van geïntegreerde optica om de weg vrij te maken voor grootschalige inzet en gebruik van kwantuminformatiewetenschap, voorbij experimenten op laboratoriumschaal en voor gebruik in de praktijk.

Siliciumcarbide (SiC) is een toonaangevend platform voor geïntegreerde processen, dat de afgelopen jaren is ontstaan ​​door het gebruik ervan in de geïntegreerde elektronische systemen van groene technologieën zoals elektrische voertuigen. Deze toepassing heeft geleid tot aanzienlijke verbeteringen in de kwaliteit van SiC-wafers, het basisformaat voor het maken van geïntegreerde apparaten.

Op het gebied van de kwantumwetenschap is SiC naar voren gekomen als een veelbelovend materiaal voor Integrated Quantum Photonics (IQP), waarmee schaalbaarheidsproblemen die bij andere materialen zoals silicium voorkomen, worden overwonnen. De unieke eigenschappen van SiC maken het ideaal voor geïntegreerde kwantumoptische processen, maar er blijven uitdagingen bestaan ​​bij het benutten van het volledige potentieel ervan. Recente doorbraken in het genereren van verstrengelde fotonen op SiC-microchips markeren een belangrijke stap in de richting van het ontsluiten van de mogelijkheden ervan voor praktische kwantumtoepassingen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications hebben wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, MD en van de Carnegie Mellon University of Pittsburg, PA de eerste demonstratie gerapporteerd van een verstrengelde fotonenbron op chipschaal in SiC.

Het apparaat wordt geïmplementeerd door een niet-lineair proces van hoge orde dat bekend staat als spontane viergolfmenging (SFWM) met behulp van een geïntegreerde optische microringresonator met een patroon op een 4H-SiC-op-isolatorplatform.

Het experiment is zo ontworpen dat de fotonenparen (signaal en vrijloop) zich op de telecomgolflengte bevinden en ideaal zijn om te worden verzonden in optische vezels (wat belangrijk is voor kwantumcommunicatie en kwantumnetwerken) en zo worden gecreëerd dat ze verstrengeld raken. in tijd en energie (bekend als tijd-energieverstrengeling). De onderzoekers rapporteren dat ze hoogwaardige en zeer zuivere verstrengelde fotonparen hebben gegenereerd.

Deze onderzoekers vatten de kenmerken van het nieuwe apparaat samen en stellen:"Onze resultaten, waaronder een maximale verhouding tussen toeval en toeval> 600 voor een fotonpaarsnelheid op de chip van (9 ± 1) × 10 ³ paren/s en een pompvermogen van 0,17 mW, een aangekondigde ???? ⁽²⁾ (0) in de orde van 10 ^-3 , en de zichtbaarheid van een interferentierand van twee fotonen van meer dan 99% tonen ondubbelzinnig aan dat geïntegreerde op SiC gebaseerde apparaten levensvatbaar kunnen zijn voor kwantuminformatieverwerking op chipschaal. Bovendien zijn deze resultaten vergelijkbaar met die verkregen uit meer volwassen geïntegreerde fotonische platforms zoals silicium."

"Wij zijn van mening dat onze studie krachtige steun biedt aan de concurrentiekracht van het 4H-SiC-on-insulator-platform voor kwantumtoepassingen. De aangetoonde verstrengelde fotonenbron kan bijvoorbeeld gemakkelijk worden ingezet in een glasvezelnetwerk voor kwantumcommunicatie." P>

"Bovendien kunnen we, door de golflengte van het nutteloze foton uit te lijnen met de nul-fononlijn van verschillende kleurcentra in SiC, verstrengeling creëren tussen het signaalfoton en de spintoestand. Dit proces van golflengte-uitlijning kan ook worden geïntegreerd en geïmplementeerd. door middel van dispersietechniek op chipschaal of frequentieconversie", voegde ze eraan toe.

De toekomst voor op SiC gebaseerde geïntegreerde optica is zeker veelbelovend, aangezien de onderzoekers stellen dat "al deze mogelijkheden wijzen op een mooie toekomst voor op SiC gebaseerde kwantumfotonica door de integratie mogelijk te maken van een groot aantal kwantumfotonische en elektrische processen op chipschaal met kleur centra voor diverse toepassingen."