Los investigadores han desarrollado una nueva fuente de fotones fotónicos de silicio compatible con CMOS que satisface todos los requisitos necesarios para la computación cuántica fotónica a gran escala. La investigación representa un paso significativo hacia las fuentes ideales de fotones individuales fabricables en masa.
Existe un esfuerzo generalizado para desarrollar computadoras cuánticas basadas en chips porque los procesos de fabricación CMOS maduros utilizados para fabricar los chips de computadora actuales podrían reducir considerablemente el costo del procesamiento de información cuántica a gran escala. Aunque los investigadores han demostrado muchos de los componentes necesarios para fabricar computadoras cuánticas en chips de silicio, una fuente de fotones únicos en chip ha demostrado ser un desafío debido a la estricta demanda de crear fotones de alta calidad.
Stefano Paesani de la Universidad de Bristol en el Reino Unido presentará la nueva investigación en la OSA totalmente virtual. Fronteras en óptica y la conferencia Laser Science APS / DLS (FiO + LS) que se celebrará del 14 al 17 de septiembre.
"Al demostrar que las fuentes de fotones de bajo ruido cumplen simultáneamente todos los requisitos de las computadoras cuánticas fotónicas a gran escala, hemos superado un desafío crucial que había limitado el escalado de las tecnologías fotónicas cuánticas, ", dijo Paesani." Las técnicas desarrolladas en este trabajo podrían acelerar el desarrollo de tecnologías cuánticas a escala de chips fabricables en masa durante varios años. Estas tecnologías prometen enormes aceleraciones cuánticas computacionales, comunicaciones incondicionalmente seguras, y sensores cuánticos mejorados ".
Creando fotones de calidad
Como su nombre indica, Las fuentes de fotón único emiten luz como fotones individuales. Son un componente clave de las computadoras cuánticas ópticas, que utilizan los fotones para transportar datos en forma de qubits. Los Qubits pueden estar en dos estados al mismo tiempo e interferirán, o correlacionar, juntos, permitiendo que muchos procesos se realicen simultáneamente.
Las fuentes de fotón único utilizadas en la computación cuántica tienen requisitos muy exigentes. Deben ser muy indistinguibles y puros, ya sea casi determinista o altamente eficiente, y adecuado para la fabricación en masa. Para cumplir con todos estos requisitos, Paesani y sus colaboradores diseñaron una nueva fuente de fotón único basada en una mezcla intermodal espontánea de cuatro ondas en una guía de ondas de silicio multimodo.
El enfoque intermodal de las fuentes de fotones en chip, donde se utiliza una interacción entre múltiples campos de bombeo óptico para generar fotones, permite nuevos grados de libertad para controlar la emisión de fotones. Al adaptar la geometría de una guía de ondas multimodo de baja pérdida y el retardo temporal en el chip entre los campos de la bomba, el equipo de investigación demostró que las propiedades de la emisión espontánea de fotones podrían modificarse para lograr fotones casi ideales.
Para probar el nuevo diseño, los investigadores fabricaron dispositivos de fotón único en silicio sobre aislante estándar utilizando procesos de litografía compatibles con CMOS en una oblea comercial. Las pruebas de los dispositivos revelaron que las guías de onda multimodo redujeron significativamente las pérdidas de transmisión, permitiendo una eficiencia intrínseca de la fuente de aproximadamente el 90%. Es necesaria una alta eficiencia de presagio para ampliar el procesamiento cuántico.
Los investigadores también realizaron interferencias de fotones en el chip, que es esencial para los cálculos cuánticos. Estos experimentos produjeron una visibilidad de datos sin procesar del 96%, el más alto registrado hasta ahora en fotónica integrada. Este logro permite operaciones cuánticas en chip entre fotones a un nivel de precisión sin precedentes, abriendo la posibilidad de ampliar el procesamiento de fotones de bajo ruido en dispositivos fotónicos cuánticos a corto plazo.
Los investigadores dicen que la fuente de fotón único podría mejorarse aún más con un mejor láser de bombeo y utilizando un proceso de fabricación más uniforme.
