Yhden fotonin emittereitä piille

Lähitulevaisuudessa kvanttitietokoneiden odotetaan mullistavan laskentatapaamme. Mutta tällaisten uusien kvanttiteknologian sovellusten saavuttamiseksi tarvitaan integroituja fotonipiirejä, jotka voivat tehokkaasti ohjata fotonisia kvanttitiloja – eli kubitteja.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR), TU Dresdenin ja Leibniz-Institut für Kristallzüchtungin (IKZ) fyysikot ovat tehneet läpimurron tällaisessa hankkeessa: he osoittivat ensimmäistä kertaa yksittäisten fotonien säteilijöiden hallitun luomisen piille nanomittakaavassa.

Kvanttifotoniikan fotoniset sirut muuttavat tätä maisemaa radikaalisti. Miniatyrisointi, vakaus ja massatuotantoon soveltuvuus saattavat tehdä niistä nykyajan kvanttifotoniikan työhevosen.

Yksifotonisten lähteiden monoliittinen integrointi hallittavalla tavalla antaisi resurssitehokkaan reitin miljoonien fotonisten kubittien toteuttamiseen fotonisissa integroiduissa piireissä. Kvanttilaskentaprotokollien suorittamiseksi näiden fotonien on oltava toisistaan erottumattomia.

Menettelyn avulla teollisen mittakaavan fotonisten kvanttiprosessorien tuotanto tulisi mahdolliseksi. Melkoinen osa muista kryogeenisiin kvanttifotonisiin piireihin tarvittavista komponenteista, kuten suprajohtavat yhden fotonin ilmaisimet, viivelinjat, modulaattorit ja vaiheensiirtimet ovat jo nykyään saatavilla.

Tällä hetkellä vakiintunut valmistusmenetelmä on kuitenkin esteenä tämän lupaavan konseptin yhteensopivuudelle nykypäivän puolijohdeteknologian kanssa.

Noin kaksi vuotta sitten tutkijat pystyivät jo generoimaan yksittäisiä fotoneja piikiekolle, mutta vain satunnaisella ja ei-skaalautuvalla tavalla.

"Nyt osoitamme, kuinka nestemäisten metalliseosten ionilähteistä peräisin olevia fokusoituja ionisäteitä käytetään sijoittamaan yksifotoniset säteilijät haluttuihin paikkoihin kiekolle samalla, kun saavutetaan korkea saanto ja korkea spektrilaatu", sanoo fyysikko tohtori Nico Klingner.

Tiedemiehet ovat vakuuttuneita siitä, että yksittäisten fotonien säteilijöiden hallittavan valmistuksen toteuttaminen piissä tekee niistä erittäin lupaavan ehdokkaan fotonikvanttiteknologioille, joiden valmistusreitti on yhteensopiva erittäin laajamittaisen integraation kanssa. Nämä yksifotoniset emitterit ovat nyt teknisesti valmiita puolijohdetehtaiden tuotantoon ja liitettäviksi olemassa olevaan tietoliikenneinfrastruktuuriin.

Tuloksemme mahdollistavat kvanttitasoisten fotonisten integroitujen piirien suoran toteuttamisen monoliittisesti integroiduilla yksifotonisilla sähköisesti ohjatuilla lähteillä.

Aiheesta aiemmin: