Развитие квантовых технологий обещает оказать глубокое влияние на науку, технику и общество. Масштабные квантовые компьютеры смогут решать проблемы, которые невозможно решить даже на самых мощных современных суперкомпьютерах, с множеством революционных приложений, например, в разработке новых лекарств и материалов.
Интегрированная квантовая фотоника является многообещающей платформой для развития квантовых технологий благодаря своей способности генерировать и контролировать фотоны – отдельные частицы света – в миниатюрных сложных оптических схемах. Использование зрелой индустрии КМОП-кремния для изготовления интегральных устройств позволяет интегрировать схемы с эквивалентом тысяч оптических волокон и компонентов на одном кристалле миллиметрового масштаба.
Использование интегрированной фотоники для разработки масштабируемых квантовых технологий пользуется большим спросом. Бристольский университет является пионером в этой области, о чем свидетельствуют новые исследования, опубликованные в Nature Communications.
Доктор Стефано Паесани, ведущий автор, объясняет:
«Важной проблемой, которая ограничила масштабирование интегрированной квантовой фотоники, было отсутствие на кристалле источников, способных генерировать высококачественные одиночные фотоны. Без источников фотонов с низким уровнем шума ошибки в квантовых вычислениях быстро накапливаются при увеличении сложности схемы, в результате чего вычисления перестают быть надежными.
Более того, оптические потери в источниках ограничивают количество фотонов, которые квантовый компьютер может производить и обрабатывать.
«В этой работе мы нашли способ решить эту проблему, и при этом мы разработали первый интегрированный источник фотонов, совместимый с крупномасштабной квантовой фотоникой. Для получения фотонов высокого качества мы разработали новую технику – «интермодальное спонтанное четырехволновое смешение», в котором множественные моды света, распространяющиеся через кремниевый волновод, нелинейно интерферируют, создавая идеальные условия для генерации одиночных фотонов."
Вместе с коллегами из Университета Тренто в Италии команда, базирующаяся в группе профессора Энтони Лэйнга в лаборатории квантовых инженерных технологий Бристоля (QETLabs), провела сравнительный анализ использования таких источников для фотонных квантовых вычислений в анонсированном эксперименте Хонг-У-Манделя. блок обработки оптической квантовой информации и получил на кристалле самую качественную квантовую интерференцию на кристалле из когда-либо наблюдавшихся (видимость 96%).
Доктор Паэсани сказал: «Устройство продемонстрировало лучшие характеристики для любого интегрированного источника фотонов: спектральная чистота и неразличимость 99% и> 90% фотонов, предвещающих e?умение."
Важно отметить, что кремниевое фотонное устройство было изготовлено с использованием КМОП-совместимых процессов на коммерческом литейном производстве, что означает, что тысячи источников могут быть легко интегрированы в одно устройство. Исследование, финансируемое Центром по квантовым вычислениям и моделированию Совета инженерных и физических наук (EPSRC) и Европейским исследовательским советом (ERC), представляет собой важный шаг на пути к масштабному построению квантовых схем и открывает путь для нескольких приложений.
«Мы разрешили критический набор шумов, которые ранее ограничивали масштабирование обработки квантовой фотонной информации. Например, массивы из сотен этих источников могут быть использованы для создания краткосрочных зашумленных квантовых машин промежуточного масштаба (NISQ), где десятки фотонов могут быть обработаны для решения специализированных задач, таких как моделирование молекулярной динамики или определенная оптимизация. проблемы, связанные с теорией графов."
Теперь исследователи разработали, как создавать почти идеальные источники фотонов, и в течение следующих нескольких месяцев масштабируемость платформы Silicon позволит им интегрировать от десятков до сотен на одном кристалле. Разработка схем в таком масштабе позволит фотонным квантовым машинам NISQ решать промышленно значимые проблемы, выходящие за рамки возможностей современных суперкомпьютеров.
«Кроме того, с расширенной оптимизацией и миниатюризацией источника фотонов наша технология может привести к отказоустойчивым квантовым операциям на интегрированной платформе фотоники, раскрывая весь потенциал квантовых компьютеров!"сказал д-р Пэзани.