Elektronis-fotoninen kvanttisiru luotu kaupallisessa valimossa

Bostonin, Kalifornia Berkeleyn ja Northwesternin yliopistojen tutkijat ovat raportoineet maailman ensimmäisestä elektroni-fotoni-kvantti -järjestelmästä sirulla.

Järjestelmä yhdistää kvanttivalonlähteet ja stabiloivan elektroniikan käyttäen standardia puolijohteiden valmistusprosessia tuottaakseen luotettavia korreloivien fotoniparien virtoja – jotka ovat keskeinen resurssi uusille kvanttiteknologioille. Tämä edistysaskel tasoittaa tietä massatuotettaville "kvanttivalotehdas"-siruille ja laajamittaisille kvanttijärjestelmille, jotka on rakennettu useista tällaisista yhdessä toimivista siruista.

Valon kvanttitilojen luominen sirulla vaatii tarkasti suunniteltuja fotonisia rakenteita – erityisesti mikrorengasresonaattoreita. Kvanttivalovirtojen luomiseksi korreloivien fotoniparien muodossa resonaattorit on viritettävä synkronoidusti tulevan laservalon kanssa, joka antaa tehoa sirun jokaiselle kvanttivalotehtaalle. Mutta nämä rakenteet ovat erittäin herkkiä lämpötila- ja valmistusvaihteluille, jotka voivat viedä ne pois synkronoinnista ja häiritä kvanttivalon tasaista syntymistä.

Tämän haasteen ratkaisemiseksi tiimi rakensi integroidun järjestelmän, joka stabiloi aktiivisesti kvanttivalonlähteitä sirulla – tarkemmin sanottuna piimikrorengasresonaattoreita, jotka tuottavat korreloituneiden fotonien virtoja. Jokainen siru sisältää kaksitoista rinnakkain toimivaa lähdettä, ja jokaisen resonaattorin on pysyttävä synkronoituna tulevan laservalon kanssa jopa lämpötilavaihteluiden ja lähellä olevien laitteiden häiriöiden läsnä ollessa – mukaan lukien sirun yksitoista muuta fotoniparilähdettä.

”Minua innostaa eniten se, että upotimme ohjauksen suoraan sirulle – vakauttaen kvanttiprosessin reaaliajassa”, sanoo Anirudh Ramesh, Northwesternin tohtoriopiskelija, joka johti kvanttimittauksia. ”Se on ratkaiseva askel kohti skaalautuvia kvanttijärjestelmiä.”

Koska siru käyttää sisäänrakennettua takaisinkytkentää kunkin lähteen vakauttamiseen, se käyttäytyy ennustettavasti lämpötilan muutoksista ja valmistusvaihteluista huolimatta – mikä on olennainen vaatimus kvanttijärjestelmien skaalaamiselle. Se valmistettiin kaupallisella 45 nanometrin CMOS-sirualustalla, joka kehitettiin alun perin tiiviissä yhteistyössä BU:n, UC Berkeleyn, GlobalFoundriesin ja Piilaakson startup-yrityksen Ayar Labsin kanssa.

”Tavoitteenamme oli osoittaa, että monimutkaisia kvanttifotonisia järjestelmiä voidaan rakentaa ja stabiloida kokonaan CMOS-sirun sisällä”, sanoo Daniel Kramnik, UC Berkeleyn tohtoriopiskelija, joka johti sirujen suunnittelua, pakkausta ja integrointia. ”Se vaati tiivistä koordinointia eri alueiden välillä, jotka eivät yleensä kommunikoi keskenään.”

Kvanttifotonisten järjestelmien laajentuessa ja monimutkaistuessa tällaisista siruista voi tulla rakenneosia teknologioille aina turvallisista tietoliikenneverkoista edistyneeseen sensorointiin ja lopulta kvanttilaskentainfrastruktuuriin.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttilomittumista nanomitoissa ja valonlähteitä kvanttiteknologialle

Fotoni kuljettaa ja koodaa kvantti-informaatiota

Kvanttivalolähde sirulle ja skaalautuvuutta kvanttipilveen