Onderzoekers van de Universiteit van Bristol hebben een belangrijke doorbraak bereikt in het opschalen van de kwantumtechnologie door 's werelds kleinste kwantumlichtdetector op een siliciumchip te integreren. Het artikel, "A Bi-CMOS electronic photonic Integrated circuit quantum light detector", werd gepubliceerd in Science Advances .

Een cruciaal moment bij het ontsluiten van het informatietijdperk was toen wetenschappers en ingenieurs in de jaren zestig voor het eerst transistors konden miniaturiseren op goedkope microchips.

Nu hebben academici van de Universiteit van Bristol voor het eerst de integratie aangetoond van een kwantumlichtdetector – kleiner dan een mensenhaar – op een siliciumchip, waardoor we een stap dichter bij het tijdperk van kwantumtechnologieën komen die gebruik maken van licht.

Het op grote schaal maken van hoogwaardige elektronica en fotonica is van fundamenteel belang voor het realiseren van de volgende generatie geavanceerde informatietechnologieën. Het uitzoeken hoe kwantumtechnologieën kunnen worden gemaakt in bestaande commerciële faciliteiten is een voortdurende internationale inspanning die wordt aangepakt door universitair onderzoek en bedrijven over de hele wereld.

Het zou voor quantum computing van cruciaal belang kunnen zijn om op grote schaal hoogwaardige quantumhardware te kunnen maken vanwege de enorme hoeveelheid componenten die naar verwachting zelfs maar één machine kunnen bouwen.

Om dit doel te bereiken hebben onderzoekers van de Universiteit van Bristol een soort kwantumlichtdetector gedemonstreerd die is geïmplementeerd op een chip met een circuit dat 80 micrometer bij 220 micrometer beslaat.

Cruciaal is dat het kleine formaat betekent dat de kwantumlichtdetector snel kan zijn, wat essentieel is voor het ontsluiten van snelle kwantumcommunicatie en het mogelijk maken van snelle werking van optische kwantumcomputers.

Het gebruik van gevestigde en commercieel toegankelijke fabricagetechnieken vergroot de vooruitzichten voor vroege integratie in andere technologieën zoals detectie en communicatie.

"Dit soort detectoren worden homodyne-detectoren genoemd en ze duiken overal op in toepassingen in de kwantumoptica", legt professor Jonathan Matthews uit, die het onderzoek leidde en directeur is van de Quantum Engineering Technology Labs.

"Ze werken bij kamertemperatuur, en je kunt ze gebruiken voor kwantumcommunicatie, in ongelooflijk gevoelige sensoren – zoals ultramoderne zwaartekrachtgolfdetectoren – en er zijn ontwerpen van kwantumcomputers die deze detectoren zouden gebruiken."

In 2021 liet het team uit Bristol zien hoe het koppelen van een fotonica-chip aan een afzonderlijke elektronische chip de snelheid van kwantumlichtdetectoren kan verhogen. Nu het team met één enkele elektronisch-fotonische geïntegreerde chip de snelheid nog verder heeft verhoogd met een factor 10, terwijl de voetafdruk is verkleind met een factor 50.

Hoewel deze detectoren snel en klein zijn, zijn ze ook gevoelig.

"De sleutel tot het meten van kwantumlicht is de gevoeligheid voor kwantumruis", legt auteur Dr. Giacomo Ferranti uit.

‘De kwantummechanica is verantwoordelijk voor een miniem fundamenteel ruisniveau in alle optische systemen. Het gedrag van deze ruis onthult informatie over wat voor soort kwantumlicht zich in het systeem voortbeweegt, het kan bepalen hoe gevoelig een optische sensor kan zijn, en het kan bepalen hoe gevoelig een optische sensor kan zijn. kan worden gebruikt om kwantumtoestanden wiskundig te reconstrueren. In ons onderzoek was het belangrijk om aan te tonen dat het kleiner en sneller maken van de detector de gevoeligheid voor het meten van kwantumtoestanden niet blokkeerde."

De auteurs merken op dat er nog spannender onderzoek te doen is naar het integreren van andere disruptieve quantumtechnologie-hardware tot op chipschaal. Met de nieuwe detector moet de efficiëntie verbeteren en er moet nog werk worden verzet om de detector in veel verschillende toepassingen te testen.

Professor Matthews voegde hieraan toe:“We hebben de detector gebouwd in een commercieel toegankelijke gieterij om de toepassingen ervan toegankelijker te maken. Hoewel we ongelooflijk enthousiast zijn over de implicaties voor een hele reeks kwantumtechnologie, is het van cruciaal belang dat we als gemeenschap de problemen blijven aanpakken uitdaging van de schaalbare fabricage van kwantumtechnologie.

"Zonder echt schaalbare fabricage van kwantumhardware aan te tonen, zullen de impact en voordelen van kwantumtechnologie worden vertraagd en beperkt."