Piiperustaisia yhden fotonin lähteitä

Bristolin yliopiston johdolla on kehitetty CMOS-yhteensopivan piifotoniikan fotonilähde, joka täyttää laajamittaisen fotonisen kvanttilaskennan vaatimukset.

Vaikka tutkijat ovat osoittaneet monia kvanttitietokoneiden valmistamiseen tarvittavia piipohjaisia komponentteja, sirulla oleva yksittäisten fotonien lähde on osoittautunut haastavaksi.

"Demonstroimalla vähäkohinaiset fotonilähteet, jotka täyttävät suurten fotonisten kvanttitietokoneiden kaikki vaatimukset, olemme voittaneet ratkaisevan haasteen, joka oli rajoittanut kvanttifotonisen tekniikan skaalautumista", toteaa Steffano Paesani Bristolin yliopistosta.” Tässä työssä kehitetyt tekniikat voisivat nopeuttaa massatuotettavien sirumittakaavan kvanttiteknologioiden kehittämistä useita vuosia.

Uusi yhden fotonin lähde perustuu intermodaaliseen spontaaniin neljän aallon sekoitukseen monimoodisessa aaltojohteessa. Intermodaalinen lähestymistapa sirulla oleviin fotoninlähteisiin mahdollistaa uudet vapausasteet fotoniemissioiden hallitsemiseksi.

Uuden suunnittelman testaamiseksi tutkijat valmistivat yhden fotonin laitteita tavallisella pii-eriste –alustalla (SOI) käyttämällä CMOS-yhteensopivia litografiaprosesseja kaupallisella kiekolla. Testit paljastivat, että monimoodiset aaltojohteet pienensivät merkittävästi siirtohäviöitä, mikä mahdollisti lähteen tehokkuuden tasolle, jota tarvitaan itse kvanttiprosessoinnin skaalaamiseksi.

Tutkijat suorittivat sirulla myös fotoninterferenssiä, mikä on välttämätöntä kvanttilaskelmille. Tutkijat vakuuttuivat, että tulos mahdollistaa sirujen kvanttioperaatiot fotonien välillä ennennäkemättömällä tarkkuudella, mikä avaa mahdollisuuden skaalata matalakohinaista fotoniprosessointia lähiajan kvanttifotonisissa laitteissa.

Myös Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) ja TU Dresdenin fyysikot ovat suunnitelleet piipohjaisen valonlähteen tuottamaan yksittäisiä fotoneja, mutta sellaisia jotka etenevät hyvin optisessa kuidussa.

Yksittäiset fotonit voivat muodostaa perustan kvanttisalaukselle, joka on periaatteessa salakuuntelulta suojattu.

Jotta käytetty materiaali synnyttäisi valokuituyhteyteen tarvittavaa infrapunavaloa, asiantuntijat käsittelivät sitä erityisellä tavalla ampumalla hiiltä valikoivasti piihin. Tämä loi materiaaliin niin sanottuja G-keskuksia, jossa kaksi vierekkäistä hiiliatomia kytkettynä piiatomiin muodostaa eräänlaisen keinotekoisen atomin. Kun tätä keinoatomia säteilytetään punaisella laservalolla, se emittoi halutut infrapunafotonit 1,3 mikrometrin aallonpituudella, taajuus, joka soveltuu erinomaisesti valokuitutiedonsiirtoon.

Tutkijoiden prototyyppi voi tuottaa 100 000 yksittäistä fotonia sekunnissa. Järjestelmä toimii toistaiseksi kuitenkin vain miinus 268 celsiusasteessa.

Jatkossa tutkijat tavoittelevat yhdistää uusi valonlähde resonaattorin kanssa sen ongelman ratkaisemiseksi, että infrapunafotonit tulevat lähteestä satunnaisesti. Kvanttiviestinnässä pitäisi kuitenkin fotoneja syntyä tarpeen mukaan.

Aiheesta aiemmin: Fotoni kerrallaan huonelämpötilassa