Un equipo de físicos de la Universidad de Bristol ha desarrollado la primera fuente de fotones integrada con el potencial de ofrecer fotónica cuántica a gran escala.

El desarrollo de tecnologías cuánticas promete tener un impacto profundo en la ciencia, ingeniería y sociedad. Las computadoras cuánticas a escala podrán resolver problemas intratables incluso en las supercomputadoras actuales más poderosas, con muchas aplicaciones revolucionarias, por ejemplo, en el diseño de nuevos fármacos y materiales.

La fotónica cuántica integrada es una plataforma prometedora para el desarrollo de tecnologías cuánticas debido a su capacidad para generar y controlar fotones (partículas individuales de luz) en circuitos ópticos complejos miniaturizados. Aprovechar la industria madura del silicio CMOS para la fabricación de dispositivos integrados permite que los circuitos con el equivalente a miles de fibras ópticas y componentes se integren en un solo chip de escala milimétrica.

El uso de fotónica integrada para desarrollar tecnologías cuánticas escalables tiene una gran demanda. La Universidad de Bristol es pionera en este campo, como lo demuestra una nueva investigación publicada en Comunicaciones de la naturaleza .

Dr. Stefano Paesani, el autor principal explica:

"Un desafío importante que ha limitado el escalado de la fotónica cuántica integrada ha sido la falta de fuentes en chip capaces de generar fotones individuales de alta calidad. Sin fuentes de fotones de bajo ruido, Los errores en un cálculo cuántico se acumulan rápidamente al aumentar la complejidad del circuito, dando como resultado que el cálculo ya no sea confiable. Es más, Las pérdidas ópticas en las fuentes limitan el número de fotones que la computadora cuántica puede producir y procesar.

"En este trabajo encontramos una manera de resolver esto y, al hacerlo, desarrollamos la primera fuente de fotones integrada compatible con fotónica cuántica a gran escala. Para lograr fotones de alta calidad, Desarrollamos una técnica novedosa, "mezcla espontánea intermodal de cuatro ondas", en la que los múltiples modos de luz que se propagan a través de una guía de ondas de silicio no tienen interferencias lineales. creando las condiciones ideales para generar fotones individuales ".

Junto con colegas de la Universidad de Trento en Italia, el equipo con sede en el grupo del profesor Anthony Laing en los laboratorios de tecnología de ingeniería cuántica de Bristol (QETLabs) evaluó el uso de tales fuentes para la computación cuántica fotónica en un experimento anunciado de Hong-Ou-Mandel, un componente básico del procesamiento óptico de información cuántica, y obtuvo la interferencia cuántica fotónica en chip de mayor calidad jamás observada (96% de visibilidad).

El Dr. Paesani dijo:"El dispositivo demostró, con mucho, el mejor rendimiento para cualquier fuente de fotones integrada:pureza espectral e indistinguibilidad del 99% y> 90% de fotones que anuncian una eficiencia ".

En tono rimbombante, el dispositivo fotónico de silicio se fabricó mediante procesos compatibles con CMOS en una fundición comercial, lo que significa que miles de fuentes se pueden integrar fácilmente en un solo dispositivo. La investigación, financiado por el Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC) en Computación Cuántica y Simulación y el Consejo Europeo de Investigación (ERC), representa un paso importante hacia la construcción de circuitos cuánticos a escala y allana el camino para varias aplicaciones.

"Hemos resuelto un conjunto crítico de ruidos que previamente habían limitado la escala del procesamiento de información cuántica fotónica. Por ejemplo, Las matrices de cientos de estas fuentes se pueden utilizar para construir máquinas fotónicas cuánticas de escala intermedia ruidosas (NISQ) a corto plazo, donde se pueden procesar decenas de fotones para resolver tareas especializadas, como la simulación de dinámica molecular o ciertos problemas de optimización relacionados con la teoría de grafos ".

Ahora los investigadores han ideado cómo construir fuentes de fotones casi perfectas, Durante los próximos meses, la escalabilidad de la plataforma Silicon les permitirá integrar decenas a cientos en un solo chip. El desarrollo de circuitos a tal escala hará posible que las máquinas cuánticas fotónicas NISQ resuelvan problemas de relevancia industrial más allá de la capacidad de las supercomputadoras actuales.

"Es más, con optimización avanzada y miniaturización de la fuente de fotones, nuestra tecnología podría conducir a operaciones cuánticas tolerantes a fallas en la plataforma fotónica integrada, desatando todo el potencial de las computadoras cuánticas, "dijo el Dr. Paesani.