Un team di fisici dell'Università di Bristol ha sviluppato la prima sorgente di fotoni integrata con il potenziale per fornire fotonica quantistica su larga scala.

Lo sviluppo delle tecnologie quantistiche promette di avere un profondo impatto sulla scienza, ingegneria e società. I computer quantistici su larga scala saranno in grado di risolvere problemi intrattabili anche sui più potenti supercomputer attuali, con molte applicazioni rivoluzionarie, Per esempio, nella progettazione di nuovi farmaci e materiali.

La fotonica quantistica integrata è una piattaforma promettente per lo sviluppo di tecnologie quantistiche grazie alla sua capacità di generare e controllare fotoni, singole particelle di luce, in circuiti ottici complessi miniaturizzati. Sfruttare l'industria matura del silicio CMOS per la fabbricazione di dispositivi integrati consente di integrare circuiti con l'equivalente di migliaia di fibre ottiche e componenti su un singolo chip su scala millimetrica.

L'uso della fotonica integrata per lo sviluppo di tecnologie quantistiche scalabili è molto richiesto. L'Università di Bristol è un pioniere in questo campo, come dimostrato da una nuova ricerca pubblicata su Comunicazioni sulla natura .

Dott. Stefano Paesani, l'autore principale spiega:

"Una sfida importante che ha limitato il ridimensionamento della fotonica quantistica integrata è stata la mancanza di sorgenti su chip in grado di generare singoli fotoni di alta qualità. Senza sorgenti di fotoni a basso rumore, gli errori in un calcolo quantistico si accumulano rapidamente quando si aumenta la complessità del circuito, con il risultato che il calcolo non è più affidabile. Inoltre, le perdite ottiche nelle sorgenti limitano il numero di fotoni che il computer quantistico può produrre ed elaborare.

"In questo lavoro abbiamo trovato un modo per risolvere questo problema e così facendo abbiamo sviluppato la prima sorgente di fotoni integrata compatibile con la fotonica quantistica su larga scala. Per ottenere fotoni di alta qualità, abbiamo sviluppato una nuova tecnica - "miscelazione intermodale spontanea a quattro onde" - in cui le molteplici modalità di propagazione della luce attraverso una guida d'onda di silicio vengono interferite in modo non lineare, creando le condizioni ideali per generare singoli fotoni."

Insieme ai colleghi dell'Università di Trento in Italia, il team del gruppo del professor Anthony Laing nei Quantum Engineering Technology Labs (QETLabs) di Bristol ha valutato l'uso di tali fonti per il calcolo quantistico fotonico in un annunciato esperimento Hong-Ou-Mandel, un elemento costitutivo dell'elaborazione dell'informazione quantistica ottica, e ha ottenuto la più alta qualità di interferenza quantistica fotonica su chip mai osservata (visibilità del 96%).

Il Dr. Paesani ha dichiarato:"Il dispositivo ha dimostrato di gran lunga le migliori prestazioni per qualsiasi sorgente di fotoni integrata:purezza spettrale e indistinguibilità del 99% e> 90% di fotoni che annunciano l'efficienza."

È importante sottolineare che il dispositivo fotonico al silicio è stato fabbricato tramite processi compatibili con CMOS in una fonderia commerciale, il che significa che migliaia di sorgenti possono essere facilmente integrate su un singolo dispositivo. La ricerca, finanziato dall'Hub in Quantum Computing and Simulation dell'Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) e dall'European Research Council (ERC), rappresenta un passo importante verso la costruzione di circuiti quantistici su larga scala e apre la strada a diverse applicazioni.

"Abbiamo risolto un insieme critico di rumori che in precedenza aveva limitato il ridimensionamento dell'elaborazione delle informazioni quantistiche fotoniche. Ad esempio, matrici di centinaia di queste sorgenti possono essere utilizzate per costruire macchine fotoniche quantiche a scala intermedia rumorose a breve termine (NISQ), dove decine di fotoni possono essere elaborati per risolvere compiti specializzati, come la simulazione della dinamica molecolare o alcuni problemi di ottimizzazione legati alla teoria dei grafi."

Ora i ricercatori hanno escogitato come costruire sorgenti di fotoni quasi perfette, nei prossimi mesi la scalabilità della piattaforma Silicon consentirà loro di integrarne da decine a centinaia su un unico chip. Lo sviluppo di circuiti su tale scala consentirà alle macchine quantistiche fotoniche NISQ di risolvere problemi rilevanti a livello industriale oltre la capacità degli attuali supercomputer.

"Per di più, con ottimizzazione avanzata e miniaturizzazione della sorgente di fotoni, la nostra tecnologia potrebbe portare a operazioni quantistiche tolleranti ai guasti nella piattaforma fotonica integrata, liberare tutto il potenziale dei computer quantistici, " ha detto il dottor Paesani.