Silicon photonics ułatwiają rozwój zastosowań w skali przemysłowej w dziedzinie informacji kwantowej

15 lipca 2024 roku

Ten artykuł został przejrzany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreslili następujące cechy, dbając o wiarygodność treści:

• sprawdzane faktów
• publikacja z recenzją przez rówieśników
• zaufane źródło
• skorygowane

przez SPIE

W kluczowym postępie technologii kwantowej badacze osiągnęli kamień milowy w wykorzystaniu wymiaru częstotliwości w zintegrowanej fotonice. Ten przełom nie tylko obiecuje postępy w dziedzinie komputerów kwantowych, ale także kładzie podwaliny pod ultra-bezpieczne sieci komunikacyjne.

Zintegrowana fotonika, manipulowanie światłem w małych obwodach na chipach krzemowych, od dawna budziła nadzieję na zastosowania kwantowe ze względu na swoją skalowalność i kompatybilność z istniejącą infrastrukturą telekomunikacyjną.

W badaniu opublikowanym w Advanced Photonics badacze z Centrum Nanonauk i Nanotechnologii (C2N), Télécom Paris i STMicroelectronics (STM) pokonali wcześniejsze ograniczenia, rozwijając rezonatory pierścieniowe z krzemu o śladzie mniejszym niż 0,05 mm2, zdolne do generowania ponad 70 różnych kanałów częstotliwości rozdzielonych o 21 GHz.

Pozwala to na równoległą i niezależną kontrolę 34 jednostek z jednym kwantowym za pomocą zaledwie trzech standardowych urządzeń elektrooptycznych. Urządzenie może skutecznie generować pary splatanych w dziedzinie częstotliwości, które są łatwo manipulowalne - kluczowe elementy w budowie sieci kwantowych.

Kluczową innowacją jest zdolność do wykorzystania wąskich rozdzielenia częstotliwości do tworzenia i kontroli stanów kwantowych. Korzystając z zintegrowanych rezonatorów pierścieniowych, udało im się wytwarzać stany splatane w dziedzinie częstotliwości poprzez proces znany jako spontaniczne mieszanie czterech fal. Ta technika pozwala na interakcje fotonów i splatanie ich, co jest kluczową umiejętnością w budowie układów kwantowych.

To, co wyróżnia tę badawczą pracę, to jej praktyczność i skalowalność. Wykorzystując precyzyjną kontrolę oferowaną przez swoje rezonatory krzemowe, badacze wykazali równoczesną pracę 34 jednostek z jednym kwantowym za pomocą tylko trzech dostępnych w sprzedaży urządzeń elektrooptycznych. Ten przełom umożliwia tworzenie złożonych sieci kwantowych, w których wiele kubitów może być manipulowanych niezależnie i równolegle.

Aby zweryfikować swoje podejście, zespół przeprowadził eksperymenty w C2N, pokazując tomografię stanu kwantowego na 17 parach maksymalnie splatanych kubitów w różnych przedziałach częstotliwości. Ta szczegółowa charakteryzacja potwierdziła wierność i spójność ich stanów kwantowych, co stanowiło znaczący krok w kierunku praktycznych komputerów kwantowych.

Może najbardziej godne uwagi jest to, że badacze osiągnęli kamień milowy w tworzeniu sieci poprzez ustanowienie tego, co uważają za pierwszą w pełni połączoną pięcioosobową sieć kwantową w dziedzinie częstotliwości. To osiągnięcie otwiera nowe drogi dla protokołów komunikacyjnych kwantowych, które polegają na bezpiecznej transmisji informacji zakodowanych w stanach kwantowych.

Patrząc w przyszłość, ta badawcza praca nie tylko pokazuje potencjał fotoniki krzemowej w posuwaniu do przodu technologii kwantowych, ale także toruje drogę dla przyszłych zastosowań w dziedzinie komputerów kwantowych i bezpiecznych komunikacji. Dzięki dalszym postępom te platformy zintegrowanej fotoniki mogą rewolucjonizować dziedziny przemysłu, które polegają na bezpiecznej transmisji danych, oferujące niespotykaną moc obliczeniową i zabezpieczenie danych.

Korespondujący autor dr Antoine Henry z C2N i Télécom Paris zauważa: „Nasza praca ukazuje, jak dziedziny częstotliwości można wykorzystać do aplikacji na dużą skalę w dziedzinie kwantowych informacji. Uważamy, że oferuje perspektywy na skalowalne architektury dziedziny częstotliwości do komunikacji kwantowej wysokiej jakości i efektywnie wykorzystującej zasoby."

Henry zauważa, że pojedyncze fotony o długości fal telekomunikacyjnych są idealne do zastosowań w świecie rzeczywistym. Wykorzystanie istniejących sieci światłowodowych z zintegrowaną fotoniką umożliwia miniaturyzację, stabilność i potencjał skalowalności do zwiększenia złożoności urządzeń oraz tym samym efektywne i dostosowane generowanie par fotonów do implementacji sieci kwantowych z kodowaniem częstotliwości pod długością fali telekomunikacyjną.

Implikacje tej pracy badawczej są ogromne. Wykorzystując wymiar częstotliwości w zintegrowanej fotonice, badacze odblokowali kluczowe zalety, w tym skalowalność, odporność na zakłócenia, równoległość i kompatybilność z istniejącymi technikami multiplexingu telekomunikacyjnego. W miarę jak świat zbliża się do realizacji pełnego potencjału technologii kwantowych, ten kamień milowy zgłoszony przez badaczy z C2N, Telecom Paris i STM służy jako latarnia morska, prowadząca drogę ku przyszłości, w której sieci kwantowe oferują bezpieczną komunikację.

Journal information: Advanced Photonics

Provided by SPIE