Il campo della fotonica topologica, specializzata nello sviluppo di una classe di materiali noti come isolanti topologici fotonici, è notevolmente avanzato negli ultimi decenni. Gli isolanti topologici fotonici hanno molte qualità promettenti, compresa la capacità di controllare il flusso della luce classica.

Ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, La Sun Yat-sen University e la Zhejiang University hanno recentemente progettato e fabbricato circuiti nanofotonici quantistici dipendenti dalla valle topologicamente protetti. Questi circuiti, presentato in un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica , dimostrare il potenziale di sfruttare il cosiddetto stato di valle fotonica per realizzare applicazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche.

Una parte del gruppo di ricerca, guidato da Jian-Wen Dong alla Sun Yat-sen University, precedentemente dimostrato che i cristalli fotonici di valle potrebbero essere una piattaforma altamente efficiente per realizzare un trasporto di luce robusto topologicamente protetto su chip di silicio compatti, che a sua volta potrebbe essere utile anche per ottenere l'elaborazione delle informazioni quantistiche su chip. Un'altra parte della squadra, guidato da Xi-Feng Ren presso l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, ha condotto ricerche approfondite incentrate sullo sviluppo di circuiti fotonici integrati quantistici.

Recentemente, questi due team hanno iniziato a collaborare alla ricerca volta a fondere i campi della fotonica topologica e dell'ottica quantistica. Come parte del loro recente studio, si sono proposti specificamente di sviluppare circuiti fotonici quantistici dipendenti dalla valle topologicamente protetti.

"Negli ultimi anni, le persone hanno iniziato a utilizzare strutture fotoniche topologiche nel campo dell'informazione quantistica, come la generazione di stati quantistici, protezione topologica della coerenza quantistica, eccetera., "Jian-Wen Dong e Xi-Feng Ren, due dei ricercatori che hanno condotto il recente studio, ha detto a Phys.org. "Però, i lavori precedenti utilizzavano tipicamente array di guide d'onda per costruire strutture fotoniche topologiche, che limita la scalabilità dei circuiti e la modulazione flessibile degli stati quantistici."

Dong, Ren e i loro colleghi hanno progettato e fabbricato un divisore di fascio nanofotonico a forma di arpione (HSBS) piccolo e compatto. Inoltre, hanno realizzato un'interferenza quantistica a due fotoni ad alta visibilità utilizzando questo tipo di circuito per la prima volta. In particolare, il loro studio introduce una strategia per utilizzare il grado di libertà della valle per ottenere l'elaborazione delle informazioni quantistiche su chip in modo robusto e utilizzando un chip compatto.

"L'obiettivo principale del nostro lavoro era realizzare l'interferenza quantistica con un divisore di raggio dipendente dalla valle topologicamente protetto, " Dong e Ren ha detto. "Come la struttura più importante, il divisore di raggio a forma di arpione era formato da due tipi di fori per l'aria a profilo esagonale, che sono fabbricati su wafer SOI con strati di silicio dello spessore di 220 nm mediante litografia a fascio di elettroni".

Rispetto ai circuiti fotonici quantistici topologici precedentemente sviluppati, l'HSBS creato da Dong, Ren e i loro colleghi sono compatibili con CMOS, scalabile e più facile da integrare nei dispositivi. Queste qualità potrebbero renderli più facili da usare per implementazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche su larga scala.

"Riteniamo che il nostro documento possa promuovere in modo significativo la convergenza tra fotonica topologica e ottica quantistica, suscitando un interesse diffuso in questi due campi, " Dissero Dong e Ren.

La realizzazione da parte dei ricercatori dell'elaborazione delle informazioni quantistiche su chip potrebbe aprire nuove possibilità per l'uso della fotonica topologica per creare dispositivi reali. Inoltre, il loro articolo mette in evidenza il valore degli stati di bordo topologici dipendenti dalla valle per ottenere una solida elaborazione delle informazioni quantistiche su chip di silicio.

"Nel futuro, in definitiva miriamo a sviluppare un chip di elaborazione delle informazioni quantistiche basato sulla nanofotonica topologica, "Aggiunsero Dong e Ren. "Nel breve termine, continueremo a esplorare i cristalli fotonici della valle su sorgenti fotoniche quantistiche e circuiti fotonici quantistici più complessi".

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