Художественное изображение интегрированного в чип квантового источника света для генерации запутанных фотонов.
Предоставлено: Рактим Халдар/Майкл Куес.

«Наш прорыв позволил нам уменьшить размер исходного кода более чем в 1000 раз, обеспечив воспроизводимость, стабильность в течение более длительного времени, масштабирование и, возможно, массовое производство. Все эти характеристики необходимы для реальных приложений, таких как квантовые процессоры, — говорит профессор доктор Майкл Куес, глава Института фотоники и член правления Cluster of Excellence PhoenixD Ганноверского университета им. Лейбница.

Квантовые биты (кубиты) являются основными строительными блоками квантовых компьютеров и квантового интернета. Квантовые источники света генерируют кванты света (фотоны), которые можно использовать в качестве квантовых битов. Встроенная фотоника стала ведущей платформой для обработки оптических квантовых состояний, поскольку она компактна, надежна и позволяет размещать и размещать множество элементов на одном кристалле. Здесь свет направляется на чип через чрезвычайно компактные структуры, которые используются для построения систем фотонных квантовых вычислений. Они уже доступны сегодня через облако. Благодаря масштабируемости они могли решать задачи, недоступные обычным компьютерам из-за их ограниченных вычислительных мощностей. Это превосходство называется квантовым преимуществом.

Весь квантовый источник света умещается на чипе размером меньше монеты в один евро. Исследователи уменьшили размер источника света более чем в 1000 раз, используя новую «гибридную технологию», которая объединяет лазер из фосфида индия и фильтр из нитрида кремния на одном чипе. Новый источник света эффективен и стабилен и может найти применение для управления квантовыми компьютерами или квантовым интернетом.
Предоставлено: Институт фотоники/LUH

«До сих пор для квантовых источников света требовались внешние, внешние и громоздкие лазерные системы, что ограничивало их использование в полевых условиях. Однако мы преодолеваем эти проблемы с помощью новой конструкции чипа и использования различных интегрированных платформ», — говорит Хатам Махмудлу, Кандидат наук, ученик в команде Куэса. Их новая разработка, фотонный квантовый источник света с лазерной интеграцией и электрическим возбуждением, полностью умещается на чипе и может излучать состояния кубитов, запутанные по частоте.

«Кубиты очень чувствительны к шуму. Чип должен управляться лазерным полем, полностью свободным от шума, что требует встроенного фильтра. Раньше было серьезной проблемой интегрировать лазер, фильтр и резонатор в один чип, поскольку не было уникального материала, который был бы эффективен для создания этих различных компонентов», — говорит доктор Рактим Халдар, научный сотрудник Гумбольдта в группе Куеса.

Ключом стала «гибридная технология», которая объединяет лазер из фосфида индия, фильтр и резонатор из нитрида кремния и объединяет их в единый чип. На чипе в спонтанном нелинейном процессе из лазерного поля создаются два фотона. Каждый фотон одновременно охватывает диапазон цветов, что называется «суперпозицией», и цвета обоих фотонов коррелированы, т. е. фотоны запутаны и могут хранить квантовую информацию. «Мы достигаем замечательной эффективности и качества состояния, необходимых для применения в квантовых компьютерах или квантовом Интернете», — говорит Куес.

Они разработали новый интегрированный квантовый источник света (слева направо): профессор доктор Майкл Куес, глава Института фотоники и член правления Cluster of Excellence PhoenixD Ганноверского университета им. Лейбница, с докторантом Хатамом Махмудлу и научным сотрудником Гумбольдта доктором Рактимом Халдар.
Кредит: Соня Смалиан/PhoenixD

«Теперь мы можем интегрировать лазер с другими компонентами на чипе, чтобы весь квантовый источник был меньше монеты в один евро. Наше крошечное устройство можно было бы считать шагом к квантовому преимуществу чипа с фотонами. В отличие от Google, который в настоящее время использует сверххолодные кубиты в криогенных системах, квантовое преимущество может быть достигнуто с помощью таких фотонных систем на чипе даже при комнатной температуре», — говорит Халдар.

Ученые также ожидают, что их открытие поможет снизить себестоимость приложений. «Мы можем представить, что наш квантовый источник света скоро станет фундаментальным компонентом программируемых фотонных квантовых процессоров», — говорит Куес.

Профессор, д-р Михаэль Кьюс, глава Института фотоники и член правления Кластера передового опыта PhoenixD: Фотоника, оптика и инженерия — инновации в разных дисциплинах Университета Лейбница в Ганновере, Германия.