Silicium fotonica verlicht de weg naar grootschalige toepassingen in de quantum informatietechnologie.

15 juli 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidsregels van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

• feiten gecontroleerd
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• gecorrigeerd

door SPIE

In een significante sprong voorwaarts voor quantumtechnologie hebben onderzoekers een mijlpaal bereikt in het benutten van de frequentiedimensie binnen geïntegreerde fotonica. Deze doorbraak belooft niet alleen vooruitgang in de quantumcomputing, maar legt ook de basis voor ultra-veilige communicatienetwerken.

Geïntegreerde fotonica, de manipulatie van licht binnen kleine circuits op silicium chips, heeft lang veelbelovend geleken voor quantumtoepassingen vanwege de schaalbaarheid en de compatibiliteit met bestaande telecommunicatie-infrastructuur.

In een studie gepubliceerd in Advanced Photonics, hebben onderzoekers van het Centre for Nanosciences and Nanotechnology (C2N), Télécom Paris, en STMicroelectronics (STM) eerdere beperkingen overwonnen door silicium ringresonatoren te ontwikkelen met een oppervlakte kleiner dan 0.05 mm2 die in staat zijn om meer dan 70 verschillende frequentiekanalen te genereren met een tussenruimte van 21 GHz.

Dit maakt de parallelisatie en onafhankelijke controle van 34 enkele qubit-poorten mogelijk met slechts drie standaard elektro-optische apparaten. Het apparaat kan efficiënt frequentie-bin verstrengelde fotonparen genereren die makkelijk manipuleerbaar zijn - essentiële componenten in de bouw van quantumnetwerken.

De sleutelinnovatie ligt in hun vermogen om deze smalle frequentiescheidingen te benutten om quantumtoestanden te creëren en te controleren. Door geïntegreerde ringresonatoren te gebruiken, hebben ze succesvol frequentie-verstrengelde toestanden gegenereerd via een proces dat bekend staat als spontane viergolfmenging. Deze techniek maakt het mogelijk dat fotonen met elkaar interageren en verstrengeld raken, een cruciale capaciteit voor het bouwen van quantumcircuits.

Wat dit onderzoek onderscheidt, is de praktische toepasbaarheid en schaalbaarheid ervan. Door het precieze beheer te benutten dat wordt geboden door hun siliciumresonatoren, hebben de onderzoekers de gelijktijdige werking van 34 enkele qubit-poorten gedemonstreerd met slechts drie off-the-shelf elektro-optische apparaten. Deze doorbraak maakt de creatie mogelijk van complexe quantumnetwerken waar meerdere qubits onafhankelijk en parallel kunnen worden gemanipuleerd.

Om hun aanpak te valideren, voerde het team experimenten uit bij C2N, waarbij quantumtoestomografie werd uitgevoerd op 17 paren maximaal verstrengelde qubits over verschillende frequentiekanalen. Deze gedetailleerde karakterisering bevestigde de betrouwbaarheid en samenhang van hun quantumtoestanden, wat een significante stap betekent richting praktische quantumcomputing.

Misschien wel het meest opvallend hebben de onderzoekers een mijlpaal bereikt in netwerken door naar eigen zeggen het eerste volledig verbonden vijfgebruikers quantumnetwerk in het frequentiedomein tot stand te brengen. Deze prestatie opent nieuwe wegen voor quantumcommunicatieprotocollen, die steunen op een veilige overdracht van informatie gecodeerd in quantumtoestanden.

Kijkend naar de toekomst, toont dit onderzoek niet alleen de kracht van siliciumfotonica in het bevorderen van quantumtechnologieën, maar opent het ook de weg voor toekomstige toepassingen in quantumcomputing en veilige communicatie. Met voortdurende vooruitgang zouden deze geïntegreerde fotonische platforms sectoren die vertrouwen op veilige gegevensoverdracht kunnen revolutioneren, waarbij ongekende niveaus van rekenkracht en gegevensbeveiliging worden geboden.

Corresponderende auteur Dr. Antoine Henry van C2N en Télécom Paris merkt op: 'Ons werk benadrukt dat frequentie-bin benut kan worden voor grootschalige toepassingen in de quantuminformatie. Wij zijn van mening dat het perspectieven biedt voor schaalbare frequentiedomein architecturen voor hoog-dimensionale en efficiënte quantumcommunicatie.'

Henry merkt op dat enkele fotonen op telecomgolflengtes ideaal zijn voor praktische toepassingen. Door bestaande glasvezelnetwerken met geïntegreerde fotonica te benutten, biedt miniaturisatie, stabiliteit en schaalbaarheid mogelijkheden voor een grotere complexiteit van apparaten en dus efficiënte en op maat gemaakte fotonparen-generatie om quantumnetwerken met frequentie-encoding op telecomgolflengte te implementeren.

De implicaties van dit onderzoek zijn enorm. Door de frequentiedimensie in geïntegreerde fotonica te benutten, hebben de onderzoekers belangrijke voordelen ontsloten, waaronder schaalbaarheid, ruisbestendigheid, parallelisatie en compatibiliteit met bestaande telecom-multiplexingtechnieken. Terwijl de wereld dichter bij het realiseren van het volledige potentieel van quantumtechnologieën komt, is deze mijlpaal gerapporteerd door onderzoekers van C2N, Telecom Paris en STM een baken dat de weg wijst naar een toekomst waarin quantumnetwerken veilige communicatie bieden.

Journal information: Advanced Photonics

Provided by SPIE