Un team internazionale di scienziati e ingegneri quantistici guidato dall'Università di Bristol e che coinvolge gruppi dalla Cina, Danimarca, Spagna, Germania e Polonia, hanno realizzato un avanzato dispositivo fotonico quantistico al silicio su larga scala in grado di intrappolare i fotoni con incredibili livelli di precisione.

Mentre l'hardware quantistico standard lega le particelle in due stati, il team ha trovato un modo per generare e intrappolare coppie di particelle ciascuna con 15 stati.

Il chip fotonico integrato stabilisce un nuovo standard per la complessità e la precisione della fotonica quantistica, con applicazioni immediate per le tecnologie quantistiche.

La fotonica quantistica integrata consente il routing e il controllo di singole particelle di luce con stabilità e precisione intrinsecamente elevate, tuttavia fino ad oggi è stato limitato a dimostrazioni su piccola scala in cui solo un piccolo numero di componenti è integrato su un chip.

L'ampliamento di questi circuiti quantistici è di fondamentale importanza per aumentare la complessità e la potenza di calcolo delle moderne tecnologie di elaborazione delle informazioni quantistiche, aprendo la possibilità di molte applicazioni rivoluzionarie.

Il gruppo, guidato da scienziati dell'Università di Bristol, Quantum Engineering Technology Laboratories (QET Labs), ha dimostrato il primo circuito fotonico quantistico integrato su larga scala, che integrando centinaia di componenti essenziali, può generare, controllare e analizzare l'entanglement ad alta dimensione con un livello di precisione senza precedenti.

Il chip quantistico è stato realizzato utilizzando una tecnologia scalabile di fotonica al silicio, simile ai circuiti elettronici di oggi, che fornirebbe un percorso per fabbricare componenti massicci per la realizzazione di un computer quantistico ottico.

Il lavoro, in collaborazione con l'Università di Pechino, Università tecnica della Danimarca (DTU), Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO), Istituto Max Planck, Centro di Fisica Teorica dell'Accademia Polacca delle Scienze, e Università di Copenaghen, è stato pubblicato oggi sulla rivista Scienza .

Il controllo coerente e preciso di grandi dispositivi quantistici e complessi sistemi di entanglement multidimensionali è stato un compito impegnativo a causa delle complesse interazioni di particelle correlate in grandi sistemi quantistici. Di recente sono stati segnalati progressi significativi verso la realizzazione di dispositivi quantistici su larga scala in una varietà di piattaforme tra cui fotoni, superconduttori, ioni, punti e difetti.

In particolare, la fotonica rappresenta un approccio promettente per codificare ed elaborare in modo naturale stati qudit multidimensionali nei diversi gradi di libertà del fotone.

In questo lavoro, viene dimostrato un sistema entangled multidimensionale codificato con percorso programmabile con dimensioni fino a 15×15, dove due fotoni esistono su 15 cammini ottici contemporaneamente e sono entangled tra loro.

Questo entanglement multidimensionale è realizzato sfruttando circuiti quantistici silicio-fotonici, integrandosi in un unico chip, 550 componenti ottici, incluse 16 sorgenti di coppie di fotoni identiche, 93 sfasatori ottici, 122 divisori di raggio.

Autore principale, Dott. Jianwei Wang, ha dichiarato:"È la maturità della fotonica al silicio di oggi che ci consente di ampliare la tecnologia e raggiungere un'integrazione su larga scala dei circuiti quantistici.

"Questa è la cosa più bella della fotonica quantistica su silicio. Il nostro chip quantistico ci consente di raggiungere livelli senza precedenti di precisione e controllo dell'entanglement multidimensionale, un fattore chiave in molti compiti di informazione quantistica di informatica e comunicazione."

Ricercatore senior, autore corrispondente Yunhong Ding da DTU, Centro per la fotonica del silicio per la comunicazione ottica (SPOC), ha aggiunto:"Le nuove tecnologie consentono sempre nuove applicazioni.

"Le capacità delle nostre tecnologie integrate di fotonica al silicio presso DTU consentono su larga scala, chip di elaborazione delle informazioni quantistiche altamente stabili, che ci consentono di osservare correlazioni quantistiche multidimensionali di alta qualità, comprese le violazioni generalizzate dello sterzo Bell ed EPR, e anche per implementare protocolli quantistici multidimensionali sperimentalmente inesplorati:espansione della casualità multidimensionale e autotest dello stato".

Dott. Anthony Laing, uno dei principali accademici dei QETLabs di Bristol e autore corrispondente, ha dichiarato:"L'entanglement è una caratteristica affascinante della meccanica quantistica e una che non comprendiamo ancora appieno. Questo dispositivo e le future generazioni di chip di crescente complessità e raffinatezza ci permetteranno di esplorare questo regno della scienza quantistica e fare nuove scoperte".

Professor Mark Thompson, capo della squadra di Bristol, ha aggiunto:"Abbiamo utilizzato gli stessi strumenti e tecniche di produzione che vengono sfruttati nell'odierna industria della microelettronica per realizzare il nostro microchip fotonico quantistico di silicio. Tuttavia, a differenza dei circuiti elettronici convenzionali che utilizzano il comportamento classico degli elettroni, i nostri circuiti sfruttano le proprietà quantistiche della singola particella di luce. Questo approccio alla fotonica del silicio alle tecnologie quantistiche fornisce un percorso chiaro per scalare fino ai molti milioni di componenti che sono in definitiva necessari per applicazioni di calcolo quantistico su larga scala".