Naukowcy poczynili decydujący postęp w technologii kwantowej, opracowując zintegrowaną fotonikę, która umożliwia kontrolę i manipulowanie światłem na chipach krzemowych. Ta innowacja ułatwia ultrabezpieczną komunikację i zwiększa możliwości obliczeń kwantowych. Źródło: SciTechDaily.com
Przełom w zintegrowanej fotonice umożliwił naukowcom wykorzystanie manipulacji światłem na chipach krzemowych, torując drogę do ulepszeń obliczenia kwantowe i bezpieczną komunikację.
Opracowali kompaktowe rezonatory pierścieniowe krzemowe do zarządzania 34 bramkami kubitowymi i stworzyli nowatorską sieć kwantową złożoną z pięciu użytkowników.
Skok kwantowy w zintegrowanej fotonice
Stanowiąc znaczący krok naprzód w technologii kwantowej, badacze osiągnęli kamień milowy w wykorzystaniu wymiaru częstotliwości w zintegrowanej fotonice. Ten przełom nie tylko obiecuje postęp w informatyce kwantowej, ale także kładzie podwaliny pod ultrabezpieczne sieci komunikacyjne.
Zintegrowana fotonika, czyli manipulacja światłem w maleńkich obwodach na chipach krzemowych, od dawna jest obiecująca w zastosowaniach kwantowych ze względu na jej skalowalność i kompatybilność z istniejącą infrastrukturą telekomunikacyjną.
Mikrorezonator krzemowy (po lewej, obraz SEM) zapewnia parametryczne źródło szerokopasmowe dla splątanych częstotliwościowo par fotonów oddalonych od siebie o 21 GHz w celu uzyskania wielkoskalowych sieci kwantowych zakodowanych częstotliwościowo. Rezultatem jest w pełni połączona sieć, pozbawiona zaufanych węzłów, w której użytkownicy są połączeni stanem splątania częstotliwościowego o długości dwóch kubitów. Źródło: Henry i in., doi 10.1117/1.AP.6.3.036003.
Przełom w projektowaniu obwodów kwantowych
W badaniu opublikowanym w Zaawansowana fotonikabadacze z Centrum Nanonauk 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 różnych kanałów częstotliwości oddalonych od siebie o 21 GHz.
Pozwala to na równoległe i niezależne sterowanie 34 pojedynczymi bramkami kubitowymi przy użyciu zaledwie trzech standardowych urządzeń elektrooptycznych. Urządzenie może efektywnie generować splątane biny częstotliwości foton pary, którymi można łatwo manipulować – kluczowe elementy w budowie sieci kwantowych.
Wzmocnienie kontroli stanu kwantowego
Kluczowa innowacja polega na ich zdolności do wykorzystania tych wąskich separacji częstotliwości do tworzenia i kontrolowania stanów kwantowych. Wykorzystując zintegrowane rezonatory pierścieniowe, z powodzeniem wygenerowali stany splątania częstotliwościowego w procesie znanym jako spontaniczne mieszanie czterofalowe. Technika ta pozwala fotonom na interakcję i splątanie, co jest kluczową umiejętnością w budowaniu obwodów kwantowych.
To, co wyróżnia to badanie, to jego praktyczność i skalowalność. Wykorzystując precyzyjną kontrolę oferowaną przez rezonatory krzemowe, badacze zademonstrowali jednoczesne działanie 34 pojedynczych bramek kubitowych przy użyciu zaledwie trzech dostępnych na rynku urządzeń elektrooptycznych. Ten przełom umożliwia tworzenie złożonych sieci kwantowych, w których można manipulować wieloma kubitami 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 sieci kwantowej
Być może najważniejsze jest to, że badacze osiągnęli kamień milowy w dziedzinie tworzenia sieci, ustanawiając, ich zdaniem, pierwszą w pełni połączoną sieć kwantową dla pięciu użytkowników w dziedzinie częstotliwości. To osiągnięcie otwiera nowe możliwości dla protokołów komunikacji kwantowej, które opierają się na bezpiecznej transmisji informacji zakodowanych w stanach kwantowych.
Przyszłość technologii kwantowych
Patrząc w przyszłość, badania te nie tylko ukazują siłę fotoniki krzemowej w udoskonalaniu technologii kwantowych, ale także torują drogę przyszłym zastosowaniom w obliczeniach kwantowych i bezpiecznej komunikacji. Dzięki ciągłemu rozwojowi te zintegrowane platformy fotoniczne mogą zrewolucjonizować branże zależne od bezpiecznej transmisji danych, oferując niespotykany dotąd poziom mocy obliczeniowej i bezpieczeństwa danych.
Autor do korespondencji, dr Antoine Henry z C2N i Télécom Paris, zauważa: „Nasza praca podkreśla, w jaki sposób bin częstotliwości można wykorzystać w zastosowaniach na dużą skalę w informacji kwantowej. Wierzymy, że oferuje perspektywy skalowalnych architektur w domenie częstotliwości na potrzeby wielowymiarowej i zasobooszczędnej komunikacji kwantowej. Henry zauważa, że pojedyncze fotony na falach telekomunikacyjnych idealnie nadają się 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 wdrażania sieci kwantowych z kodowanie częstotliwości na fali telekomunikacyjnej.
Konsekwencje tych badań są ogromne. Wykorzystując wymiar częstotliwości w zintegrowanej fotonice, badacze odkryli kluczowe zalety, w tym skalowalność, odporność na zakłócenia, równoległość i kompatybilność z istniejącymi technikami multipleksowania telekomunikacyjnego. W miarę jak świat zbliża się do wykorzystania pełnego potencjału technologii kwantowych, ten kamień milowy zgłoszony przez badaczy C2N, Telecom Paris i STM służy jako latarnia wyznaczająca drogę ku przyszłości, w której sieci kwantowe będą zapewniać bezpieczną komunikację.
Odniesienie: „Równoległość bramek kwantowych w dziedzinie częstotliwości: manipulacja i dystrybucja splątanych częstotliwościowo par fotonów generowanych przez mikrorezonator krzemowy 21 GHz” autorstwa Antoine’a Henry’ego, Dario A. Fioretto, Lorenzo M. Procopio, Stéphane Monfray, Frédéric Boeuf, Laurent Vivien, Eric Cassan, Carlos Alonzo-Ramos, Kamel Bencheikh, Isabelle Zaquine i Nadia Belabas, 28 czerwca 2024 r., Zaawansowana fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.6.3.036003
