I ricercatori hanno sviluppato una nuova sorgente di fotoni fotonici al silicio compatibile con CMOS che soddisfa tutti i requisiti necessari per il calcolo quantistico fotonico su larga scala. La ricerca rappresenta un passo significativo verso sorgenti di singoli fotoni ideali fabbricabili in serie.
C'è uno sforzo diffuso per sviluppare computer quantistici basati su chip perché i processi di fabbricazione CMOS maturi utilizzati per realizzare i chip per computer di oggi potrebbero ridurre notevolmente il costo dell'elaborazione delle informazioni quantistiche su larga scala. Sebbene i ricercatori abbiano dimostrato molti dei componenti necessari per realizzare computer quantistici in chip di silicio, una singola sorgente di fotoni su chip si è rivelata impegnativa a causa della rigorosa richiesta di creare fotoni di alta qualità.
Stefano Paesani dell'Università di Bristol nel Regno Unito presenterà la nuova ricerca all'OSA tutto virtuale Frontiere in ottica e la conferenza Laser Science APS/DLS (FiO + LS) che si terrà dal 14 al 17 settembre.
"Dimostrando sorgenti di fotoni a basso rumore che soddisfano simultaneamente tutti i requisiti per computer quantistici fotonici su larga scala, abbiamo superato una sfida cruciale che aveva limitato il ridimensionamento delle tecnologie fotoniche quantistiche, " ha detto Paesani. "Le tecniche sviluppate in questo lavoro potrebbero accelerare lo sviluppo di tecnologie quantistiche su scala di chip fabbricabili in massa di diversi anni. Tali tecnologie promettono enormi accelerazioni quantistiche computazionali, comunicazioni incondizionatamente sicure, e sensori quantistici."
Creare fotoni di qualità
Come il nome suggerisce, le sorgenti a singolo fotone emettono luce come singoli fotoni. Sono un componente chiave dei computer quantistici ottici, che utilizzano i fotoni per trasportare dati sotto forma di qubit. I qubit possono trovarsi in due stati contemporaneamente e interferiranno, o correlare, insieme, consentendo l'esecuzione simultanea di molti processi.
Le sorgenti a fotone singolo utilizzate nell'informatica quantistica hanno requisiti molto rigorosi. Devono essere altamente indistinguibili e puri, quasi deterministico o altamente efficiente, e adatto per la produzione di massa. Per soddisfare tutti questi requisiti, Paesani e colleghi hanno progettato una nuova sorgente a fotone singolo basata sulla miscelazione intermodale spontanea di quattro onde in una guida d'onda di silicio multimodale.
L'approccio intermodale alle sorgenti di fotoni su chip, dove viene utilizzata un'interazione tra più campi di pompe ottiche per generare fotoni, consente nuovi gradi di libertà per controllare l'emissione di fotoni. Adattando la geometria di una guida d'onda multimodale a bassa perdita e il ritardo temporale su chip tra i campi della pompa, il team di ricerca ha dimostrato che le proprietà dell'emissione spontanea di fotoni potrebbero essere progettate per ottenere fotoni quasi ideali.
Per testare il nuovo design, i ricercatori hanno fabbricato dispositivi a singolo fotone su silicio su isolante standard utilizzando processi di litografia compatibili con CMOS su un wafer commerciale. I test dei dispositivi hanno rivelato che le guide d'onda multimodali hanno ridotto significativamente le perdite di trasmissione, consentendo un'efficienza di preannuncio intrinseca della sorgente di circa il 90%. È necessaria un'elevata efficienza di annuncio per aumentare l'elaborazione quantistica.
I ricercatori hanno anche eseguito interferenze fotoniche su chip, che è essenziale per i calcoli quantistici. Questi esperimenti hanno prodotto una visibilità dei dati grezzi del 96%, il più alto finora riportato nella fotonica integrata. Questo risultato consente operazioni quantistiche su chip tra fotoni a un livello di precisione senza precedenti, aprendo la possibilità di aumentare l'elaborazione di fotoni a basso rumore in dispositivi fotonici quantistici a breve termine.
I ricercatori affermano che la sorgente a singolo fotone potrebbe essere ulteriormente migliorata con un laser a pompa migliore e utilizzando un processo di fabbricazione più uniforme.
