Создана самая сложная на сегодня квантовая схема

Исследователи из Великобритании, Японии и Нидерландов изготовили наиболее функционально сложную интегральную квантовую схему на основе одного материала, способную генерировать фотоны и одновременно зацеплять их. Схема, которая состоит из двух источников фотонов на кристалле кремния, может быть использована в приложениях по квантовой обработке информации и в сложных квантовооптических экспериментах на-чипе.

Квантовая интерференция лежит в основе многих технологий и алгоритмов обработки квантовой информации. Однако для того чтобы наблюдать этот уникальный квантовомеханический эффект, используемые фотоны должны быть неотличимы, то есть они должны быть идентичны насколько это возможно (когерентны). Они также должны генерироваться идентичными источниками, что было трудно сделать в прошлом.

Команде исследователей во главе с Марком Томпсоном (Mark Thompson) из Бристольского университета в Великобритании в настоящее время удалось преодолеть этот барьер и впервые реализовать два идентичных источника фотонов на одном кремниевом кристалле. «Эти источники генерируют зацепленный свет, которым мы можем управлять, и который интерферирует на том же чипе», - пояснил Томпсон.

Для генерации фотонов на чипе исследователи облучили его сильным лазерным инфракрасным лучом накачки. Луч создавал фотонные пары благодаря нелинейному взаимодействию с кремниевым материалом в процессе, называемом спонтанное четырехволновое смешивание.

«Мы вводили луч в две области на чипе (эти области впоследствии становились двумя источниками) и комбинировали свет, полученный с использованием расщепляющего лучи элемента, также на чипе, - сказал член бристольской команды Джош Сильверстоун (Josh Silverstone). - Мы точно управляли длиной пути, проходимого фотонами через один из источников путем изменения температуры одного из двух волноводов, содержащихся в чипе, и наблюдали интерференционные полосы. Эти полосы являются сигнатурой двухфотонной квантовой интерференции».

Большое преимущество кремниевой квантовой фотоники заключается в том, что эти структуры могут быть изготовлены с использованием методов, которые очень похожи на те, которые применяются для создания современной КМОП-микроэлектроники.


В настоящее время команда планирует объединить элементы, необходимые для создания полностью интегрированных фотонных квантовых информационных систем на одном устройстве. «К настоящему времени мы объединили квантовые источники с квантовыми схемами, но следующая большая задача будет включение одиночных детекторов фотонов, а затем масштабирование до многих сотен компонентов на-чипе, необходимых для выполнения сложных задач обработки квантовой информации с помощью фотонов», - сказал Томпсон.

Будущий чип