(Phys.org)—Een veelbelovende benadering voor schaalbare kwantumcomputing is het gebruik van een volledig optische architectuur, waarin de qubits worden weergegeven door fotonen en worden gemanipuleerd door spiegels en bundelsplitsers. Tot dusver, onderzoekers hebben deze methode aangetoond, genaamd Linear Optical Quantum Computing, op zeer kleine schaal door bewerkingen uit te voeren met slechts enkele fotonen. In een poging om deze methode op te schalen naar grotere aantallen fotonen, onderzoekers in een nieuwe studie hebben een manier ontwikkeld om single-photonbronnen volledig te integreren in optische circuits, het creëren van geïntegreerde kwantumcircuits die schaalbare optische kwantumberekening mogelijk maken.

De onderzoekers, Iman Esmaeil Zadeh, Ali W. Elshaari, en co-auteurs, hebben een artikel gepubliceerd over de geïntegreerde kwantumcircuits in een recent nummer van: Nano-letters .

Zoals de onderzoekers uitleggen, een van de grootste uitdagingen voor de realisatie van een efficiënt Linear Optical Quantum Computing-systeem is het integreren van verschillende componenten die meestal niet compatibel zijn met elkaar op een enkel platform. Deze componenten omvatten een enkele fotonbron zoals kwantumdots; routeringsapparaten zoals golfgeleiders; apparaten voor het manipuleren van fotonen zoals holtes, filters, en kwantumpoorten; en enkelfotondetectoren.

In de nieuwe studie de onderzoekers hebben experimenteel een methode gedemonstreerd voor het inbedden van enkel-foton-genererende kwantumstippen in nanodraden die, beurtelings, zijn ingekapseld in een golfgeleider. Om dit met de vereiste hoge precisie te doen, ze gebruikten een "nanomanipulator" bestaande uit een wolfraamtip om de componenten over te brengen en uit te lijnen. Eenmaal in de golfgeleider, enkele fotonen kunnen worden geselecteerd en naar verschillende delen van het optische circuit worden geleid, waar uiteindelijk logische bewerkingen kunnen worden uitgevoerd.

"We hebben een hybride oplossing voor geïntegreerde kwantumoptica voorgesteld en gedemonstreerd die gebruikmaakt van de voordelen van hoogwaardige enkelvoudige fotonbronnen met goed ontwikkelde op silicium gebaseerde fotonica, "Zadeh, aan de Technische Universiteit Delft in Nederland, vertelde Phys.org . "Aanvullend, deze methode, in tegenstelling tot eerdere werken, is volledig deterministisch, d.w.z., alleen kwantumbronnen met de geselecteerde eigenschappen worden geïntegreerd in fotonische circuits.

"De voorgestelde aanpak kan dienen als een infrastructuur voor het implementeren van schaalbare geïntegreerde kwantum optische circuits, die potentieel heeft voor veel kwantumtechnologieën. Verder, dit platform biedt natuurkundigen nieuwe hulpmiddelen voor het bestuderen van sterke licht-materie-interactie op nanoschaal en holte QED [kwantumelektrodynamica]."

Een van de belangrijkste prestatiestatistieken voor lineaire optische kwantumcomputing is de koppelingsefficiëntie tussen de enkelvoudige fotonbron en het fotonische kanaal. Een laag rendement duidt op verlies van fotonen, wat de betrouwbaarheid van de computer vermindert. De opstelling hier haalt een koppelingsrendement van ongeveer 24% (wat al als goed wordt beschouwd), en de onderzoekers schatten dat het optimaliseren van het ontwerp en het materiaal van de golfgeleider dit zou kunnen verbeteren tot 92%.

Naast het verbeteren van de koppelingsefficiëntie, in de toekomst zijn de onderzoekers ook van plan om on-chip verstrengeling aan te tonen, evenals de complexiteit van de fotonische circuits en enkel-fotondetectoren vergroten.

"Uiteindelijk, het doel is om een ​​volledig geïntegreerd quantumnetwerk op de chip te realiseren, " zei Elshaari, aan de Technische Universiteit Delft en het Koninklijk Instituut voor Technologie (KTH) in Stockholm. "Op dit moment zijn er veel kansen, en het veld is niet goed verkend, maar het afstemmen van bronnen op de chip en het genereren van niet te onderscheiden fotonen behoren tot de uitdagingen die moeten worden overwonnen."

© 2016 Fys.org