Компактный источник фотонов упростит интеграцию квантовых технологий в чипы

Технология генерирования фотонных пар, представленная международной группой под руководством профессора Роберто Морандотти (Roberto Morandotti) из INRS-EMT (Канада) на 98-й ежегодной конференции Оптического Сообщества, Frontiers in Optics в Таксоне (штат Аризона), позволит создать коммерческие устройства квантового шифрования, достаточно миниатюрные (площадь 1 кв. мм), чтобы уместиться в компьютерном чипе.

Одним из свойств света, используемых в квантовой оптике, является фотонная поляризация — плоскость колебаний электрического поля этой частицы. Целью исследователей было найти способ «перемешивать» или кросс-поляризовать фотоны прямо в чипе с помощью нелинейных оптических процессов.

До этого в нескольких работах уже предпринимались попытки разработать внутричиповые источники фотонов с перепутанными поляризациями. Однако в них использовались процессы, позволяющие генерировать фотоны только той поляризации, что и у лазера накачки — оба горизонтальных или оба вертикальных. Аккуратно смешивая эти состояния получали квантовое перепутывание.

«Нами найден путь сразу генерировать фотонные пары, имеющие ортогональную поляризацию», — сообщает Лусиа Каспани (Lucia Caspani), соавтор статьи, представленной на Frontiers in Optics.

Для этого были использованы два лазерных луча с разными длинами волн, один поляризованный вертикально, а другой — горизонтально, однако возникающий между ними классический процесс мог разрушать хрупкое квантовое состояние фотонов. Устранить проблему удалось применив кольцевой микро-резонатор — мельчайшую оптическую полость диаметром от десятков до сотен микрометров. Ограничения, обусловленные законами сохранения энергии, подавляют классические эффекты и усиливают квантовые в таком устройстве.

Аналогичное подавление классических процессов уже было известно для паров и волокон со сложной микроструктурой, однако на чипе оно было реализовано впервые, что создает предпосылки для построения масштабируемых интегральных устройств, поддерживающих протоколы квантовых коммуникаций и вычислений.

Экспериментальный чип совместим с производственными процессами современной электроники, т.е. удовлетворяет фундаментальному условию широкого внедрения оптических квантовых технологий.