Naukowcy poczynili decydujący postęp w technologii kwantowej, opracowując zintegrowaną fotonikę, która umożliwia kontrolę i manipulację światłem na chipach krzemowych. Ta innowacja ułatwia ultrabezpieczną komunikację i zwiększa możliwości obliczeń kwantowych. Źródło: SciTechDaily.com

Przełom w dziedzinie zintegrowanej fotoniki pozwolił naukowcom wykorzystać manipulację światłem na układach krzemowych, co otwiera drogę do udoskonalenia komputery kwantowe i bezpiecznej komunikacji.

Opracowali kompaktowe rezonatory pierścieniowe z krzemu do zarządzania 34 bramkami kubitowymi i stworzyli nowatorską sieć kwantową dla pięciu użytkowników.

Skok kwantowy w zintegrowanej fotonice

W znaczącym kroku naprzód dla technologii kwantowej badacze osiągnęli kamień milowy w wykorzystaniu wymiaru częstotliwości w zintegrowanej fotonice. Ten przełom nie tylko obiecuje postęp w obliczeniach kwantowych, ale także kładzie podwaliny pod ultrabezpieczne sieci komunikacyjne.

Zintegrowana fotonika, czyli manipulowanie światłem w maleńkich obwodach na układach scalonych krzemowych, od dawna budzi nadzieje na zastosowania kwantowe ze względu na swoją skalowalność i kompatybilność z istniejącą infrastrukturą telekomunikacyjną.

Mikrorezonator krzemowy (po lewej, obraz SEM) zapewnia parametryczne źródło szerokopasmowe dla par fotonów splątanych częstotliwościowo w odstępie 21 GHz, aby uzyskać zakodowane częstotliwościowo sieci kwantowe na dużą skalę. Rezultatem jest sieć bez zaufanych węzłów, w pełni połączona, w której użytkownicy są połączeni przez stan splątany częstotliwościowo z dwoma kubitami. Źródło: Henry i in., doi 10.1117/1.AP.6.3.036003.

Przełom w projektowaniu obwodów kwantowych

W badaniu opublikowanym w Zaawansowana fotonikaNaukowcy z Centrum Nanonauki i Nanotechnologii (C2N), Télécom Paris i STMicroelectronics (STM) pokonali wcześniejsze ograniczenia, opracowując krzemowe rezonatory pierścieniowe o powierzchni mniejszej niż 0,05 mm², zdolne do generowania ponad 70 odrębnych kanałów częstotliwości oddalonych od siebie o 21 GHz.

Umożliwia to paralelizację i niezależne sterowanie 34 pojedynczymi bramkami kubitowymi przy użyciu zaledwie trzech standardowych urządzeń elektrooptycznych. Urządzenie może wydajnie generować splątane biny częstotliwości foton pary, którymi można łatwo manipulować – kluczowe elementy w konstrukcji sieci kwantowych.

Ulepszanie kontroli stanu kwantowego

Kluczowa innowacja polega na ich zdolności do wykorzystania tych wąskich separacji częstotliwości do tworzenia i kontrolowania stanów kwantowych. Używając zintegrowanych rezonatorów pierścieniowych, udało im się wygenerować stany splątane częstotliwościowo poprzez proces znany jako spontaniczne mieszanie czterech fal. Ta technika pozwala fotonom na interakcję i splątanie, co jest kluczową zdolnością do budowy obwodów kwantowych.

To, co wyróżnia te badania, to ich praktyczność i skalowalność. Wykorzystując precyzyjną kontrolę oferowaną przez ich krzemowe rezonatory, naukowcy zademonstrowali równoczesną pracę 34 pojedynczych bramek kubitowych, używając zaledwie trzech gotowych urządzeń elektrooptycznych. To przełomowe odkrycie 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 splątanych kubitów w różnych przedziałach częstotliwości. Ta szczegółowa charakterystyka potwierdziła wierność i spójność ich stanów kwantowych, co stanowi znaczący krok w kierunku praktycznych obliczeń kwantowych.

Kamienie milowe w sieciach kwantowych

Być może najbardziej znaczącym osiągnięciem badaczy było osiągnięcie kamienia milowego w sieciowaniu poprzez stworzenie tego, co uważają za pierwszą w pełni połączoną pięcioosobową sieć kwantową w domenie częstotliwości. To osiągnięcie otwiera nowe możliwości dla protokołów komunikacji kwantowej, które opierają się na bezpiecznej transmisji informacji zakodowanej w stanach kwantowych.

Przyszłość technologii kwantowych

Patrząc w przyszłość, badania te nie tylko pokazują moc fotoniki krzemowej w rozwijaniu technologii kwantowych, ale także torują drogę przyszłym zastosowaniom w obliczeniach kwantowych i bezpiecznej komunikacji. Dzięki ciągłym postępom te zintegrowane platformy fotoniczne mogą zrewolucjonizować branże zależne od bezpiecznej transmisji danych, oferując bezprecedensowy poziom mocy obliczeniowej i bezpieczeństwa danych.

Autor korespondencyjny dr Antoine Henry z C2N i Télécom Paris zauważa: „Nasza praca podkreśla, w jaki sposób można wykorzystać bin częstotliwości do zastosowań na dużą skalę w informacji kwantowej. Wierzymy, że oferuje ona perspektywy skalowalnych architektur domeny częstotliwości dla wielowymiarowej i wydajnej pod względem zasobów komunikacji kwantowej”. Henry zauważa, że ​​pojedyncze fotony na długościach fal telekomunikacyjnych są idealne do zastosowań w świecie rzeczywistym wykorzystujących istniejące sieci światłowodowe. Zintegrowana fotonika umożliwia miniaturyzację, stabilność i skalowalność/potencjał zwiększonej złożoności urządzeń, a tym samym wydajne i niestandardowe generowanie par fotonów w celu wdrożenia sieci kwantowych z kodowaniem częstotliwości na długościach fal telekomunikacyjnych.

Implikacje tych badań są ogromne. Wykorzystując wymiar częstotliwości w zintegrowanej fotonice, naukowcy odkryli kluczowe zalety, w tym skalowalność, odporność na szumy, paralelizację i zgodność z istniejącymi technikami multipleksowania telekomunikacyjnego. W miarę jak świat zbliża się do pełnego wykorzystania potencjału technologii kwantowych, ten kamień milowy zgłoszony przez badaczy z C2N, Telecom Paris i STM służy jako latarnia morska, wskazując drogę ku przyszłości, w której sieci kwantowe oferują bezpieczną komunikację.

Odniesienie: „Parallelization of frequency domain quantum gates: manipulation and distribution of frequency-entangled photon pairs generated by a 21 GHz silicon microresonator” autorstwa Antoine’a Henry’ego, Dario A. Fioretto, Lorenzo M. Procopio, Stéphane’a Monfraya, Frédérica Boeufa, Laurenta Viviena, Erica Cassana, Carlosa Alonzo-Ramosa, Kamela Bencheikha, Isabelle Zaquine i Nadii Belabas, 28 czerwca 2024 r., Zaawansowana fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.6.3.036003