Излучатели света для квантовых схем

Перспективы квантового Интернета зависят от сложности использования света для передачи квантовой информации по оптоволоконным сетям. О потенциальном шаге вперед сообщили исследователи из Швеции, разработавшие интегрированные чипы, которые могут генерировать фотоны по запросу и без необходимости экстремального охлаждения.

Квантовые вычисления сегодня основаны на состояниях материи, то есть на электронах, которые несут кубиты информации для одновременного выполнения нескольких вычислений за долю времени, необходимого для классических вычислений.

Соавтор исследования Вал Цвиллер (Val Zwiller), профессор Королевского технологического института KTH, говорит, что для бесшовной интеграции квантовых вычислений с волоконно-оптическими сетями, которые сегодня используются в Интернете, был бы более перспективным подход использовать фотоны.

«Фотонный подход предлагает естественную связь между коммуникацией и вычислениями, - говорит он. - Это важно, поскольку конечной целью является передача обработанной квантовой информации с помощью света».

Но для того, чтобы фотоны доставляли кубиты по запросу в квантовых системах, они должны излучаться детерминированным, а не случайным образом. Это может быть достигнуто при чрезвычайно низких температурах в искусственных атомах, но сегодня исследовательская группа из KTH представила способ заставить излучатель работать в оптических интегральных схемах - при комнатной температуре.

Новый метод позволяет точно разместить излучатели фотонов в интегральных оптических схемах, которые напоминают медные провода для электричества, за исключением того, что вместо этого они переносят свет, говорит соавтор исследования Али Эльшаари (Ali Elshaari), доцент Королевского технологического института KTH.

Исследователи использовали свойства однофотонной эмиссии гексагонального нитрида бора (hBN), слоистого материала. hBN - это соединение, обычно используемое в керамике, сплавах, смолах, пластмассах и каучуках для придания им самосмазывающихся свойств. Они интегрировали материал с волноводами из нитрида кремния, чтобы направлять испускаемые фотоны.

По словам Эльшаари, квантовые схемы со светом работают либо при криогенных температурах - плюс 4 Кельвина выше абсолютного нуля - с использованием атомоподобных источников одиночных фотонов, либо при комнатной температуре с использованием случайных источников одиночных фотонов. Напротив, технология, разработанная в KTH, позволяет создавать оптические схемы с излучением легких частиц по требованию при комнатной температуре.

«В существующих оптических схемах, работающих при комнатной температуре, вы никогда не узнаете, когда генерируется одиночный фотон, если не проведете предвещающее измерение, - говорит Эльшаари. - Мы реализовали детерминированный процесс, который точно позиционирует излучатели световых частиц, работающие при комнатной температуре, в интегрированной фотонной схеме».

Исследователи сообщили о соединении излучателя одиночных фотонов hBN с волноводами из нитрида кремния и разработали метод визуализации квантовых излучателей. Затем в гибридном подходе команда построила фотонные схемы относительно местоположения квантовых источников, используя серию шагов, включающих литографию электронным пучком и травление, при этом сохраняя при этом высокое качество квантового света.

Достижение открывает путь к гибридной интеграции, то есть включению атомоподобных однофотонных излучателей в фотонные платформы, которые не могут эффективно излучать свет по запросу.

Увеличенный вид встроенного чипа, излучающего фотоны