Silizium-Photonik weist den Weg zu groß angelegten Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung.

15. Juli 2024

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Redakteure haben die folgenden Eigenschaften hervorgehoben, während sie die Glaubwürdigkeit des Inhalts sicherstellten:

• Faktencheck
• Peer-Review-Publikation
• Vertrauenswürdige Quelle
• Korrekturgelesen

von SPIE

In einem bedeutenden Schritt nach vorne für die Quantentechnologie haben Forscher einen Meilenstein in der Nutzung der Frequenzdimension in der integrierten Photonik erreicht. Dieser Durchbruch verspricht nicht nur Fortschritte in der Quantencomputing, sondern legt auch den Grundstein für ultrasichere Kommunikationsnetzwerke.

Die integrierte Photonik, die Manipulation von Licht in winzigen Schaltkreisen auf Siliziumchips, hat aufgrund ihrer Skalierbarkeit und Kompatibilität mit der vorhandenen Telekommunikationsinfrastruktur bereits lange vielversprechend für Quantenanwendungen.

In einer in Advanced Photonics veröffentlichten Studie haben Forscher vom Centre for Nanosciences and Nanotechnology (C2N), Télécom Paris und STMicroelectronics (STM) frühere Einschränkungen überwunden, indem sie Silizium-Ringresonatoren entwickelt haben, die kleiner als 0,05 mm2 sind und über 70 verschiedene Frequenzkanäle erzeugen können, die jeweils 21 GHz voneinander entfernt sind.

Dies ermöglicht die Parallelisierung und die unabhängige Steuerung von 34 einzelnen Qubit-Gates unter Verwendung von nur drei Standard-Elektrooptikgeräten. Das Gerät kann effizient frequenzgebundene verschränkte Photonpaare erzeugen, die leicht manipulierbar sind - kritische Komponenten beim Aufbau von Quantennetzwerken.

Die Schlüsselinnovation besteht in ihrer Fähigkeit, diese schmalen Frequenzabstände auszunutzen, um Quantenzustände zu erzeugen und zu kontrollieren. Unter Verwendung integrierter Ringresonatoren konnten sie erfolgreich frequenzverschränkte Zustände durch einen Prozess namens spontane Vierwellenmischung erzeugen. Diese Technik ermöglicht es Photonen, miteinander zu interagieren und verschränkt zu werden, eine entscheidende Fähigkeit zum Aufbau von Quantenschaltkreisen.

Was diese Forschung auszeichnet, ist ihre Praktikabilität und Skalierbarkeit. Durch die präzise Steuerung, die ihre Siliziumresonatoren bieten, haben die Forscher den gleichzeitigen Betrieb von 34 einzelnen Qubit-Gates unter Verwendung von nur drei handelsüblichen elektrooptischen Geräten nachgewiesen. Dieser Durchbruch ermöglicht die Erstellung komplexer Quantennetzwerke, bei denen mehrere Qubits unabhängig und parallel manipuliert werden können.

Zur Validierung ihres Ansatzes führte das Team Experimente am C2N durch und führte Quantenzustandstomographie an 17 Paaren maximal verschränkter Qubits in unterschiedlichen Frequenzbändern durch. Diese detaillierte Charakterisierung bestätigte die Treue und Kohärenz ihrer Quantenzustände und markierte einen bedeutenden Schritt hin zur praktischen Quantencomputing.

Vielleicht am bemerkenswertesten ist es den Forschern gelungen, einen Meilenstein im Netzwerken zu erreichen, indem sie vermutlich das erste vollständig verbundene fünfbenutzer-Quantennetzwerk im Frequenzbereich geschaffen haben. Dieser Erfolg eröffnet neue Wege für Quantenkommunikationsprotokolle, die auf der sicheren Übertragung von Informationen, die in Quantenzuständen codiert sind, beruhen.

Ausblickend zeigt diese Forschung nicht nur die Leistungsfähigkeit von Siliziumphotonik bei der Förderung von Quantentechnologien, sondern ebnet auch den Weg für zukünftige Anwendungen in der Quantencomputing und der sicheren Kommunikation. Mit weiteren Fortschritten könnten diese integrierten Photonik-Plattformen Branchen revolutionieren, die auf sicherer Datenübertragung angewiesen sind, und bieten unerreichte Rechenleistungen und Datensicherheit.

Der entsprechende Autor Dr. Antoine Henry von C2N und Télécom Paris bemerkt: 'Unsere Arbeit zeigt auf, wie der Frequenzbereich für groß angelegte Anwendungen in der Quanteninformatik genutzt werden kann. Wir glauben, dass sie Perspektiven für skalierbare Frequenzbereichsarchitekturen für hochdimensionale und ressourceneffiziente Quantenkommunikation bietet.'

Henry merkt an, dass einzelne Photonen bei Telekommunikationswellenlängen ideal für praktische Anwendungen sind. Die Nutzung bestehender Glasfasernetzwerke mit integrierter Photonik ermöglicht die Miniaturisierung, Stabilität und Skalierbarkeit für eine erhöhte Komplexität von Geräten und somit eine effiziente und maßgeschneiderte Generierung von Photonenpaaren zur Implementierung von Quantennetzwerken mit Frequenzcodierung bei Telekommunikationswellenlängen.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind enorm. Durch die Nutzung der Frequenzdimension in der integrierten Photonik haben die Forscher wesentliche Vorteile wie Skalierbarkeit, Rauschresistenz, Parallelisierung und Kompatibilität mit bestehenden Telekommunikations-Multiplextechniken freigesetzt. Mit zunehmender Annäherung der Welt an die vollständige Nutzung des Potenzials von Quantentechnologien dient dieser Meilenstein, der von den Forschern von C2N, Telecom Paris und STM gemeldet wurde, als Leitlicht und weist den Weg in eine Zukunft, in der Quantennetzwerke sichere Kommunikation ermöglichen.

Journal information: Advanced Photonics

Provided by SPIE