Saltos cuánticos progresivos: alto

Característica del 24 de mayo de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Las arquitecturas de computación cuántica fotónica escalables requieren dispositivos de procesamiento fotónico. Estas plataformas se basan en circuitos reconfigurables de baja pérdida, alta velocidad y generadores de estado de recursos casi deterministas. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances, Patrik Sund y un equipo de investigación del centro de redes cuánticas híbridas de la Universidad de Copenhague y la Universidad de Münster desarrollaron una plataforma fotónica integrada con niobato de litio de película delgada. Los científicos integraron la plataforma con fuentes deterministas de fotones individuales de estado sólido utilizando puntos cuánticos en guías de ondas nanofotónicas.

Procesaron los fotones generados dentro de circuitos de baja pérdida a velocidades de varios gigahercios y realizaron experimentalmente una variedad de funcionalidades clave de procesamiento de información cuántica fotónica en circuitos de alta velocidad; con características clave inherentes para desarrollar un circuito fotónico universal de cuatro modos. Los resultados ilustran una dirección prometedora en el desarrollo de tecnologías cuánticas escalables mediante la fusión de fotónica integrada con fuentes de fotones deterministas de estado sólido.

Las tecnologías cuánticas han avanzado progresivamente en los últimos años para permitir que el hardware cuántico compita y supere las capacidades de las supercomputadoras clásicas. Sin embargo, resulta complicado regular los sistemas cuánticos a escala para una variedad de aplicaciones prácticas y también formar tecnologías cuánticas tolerantes a fallos.

La fotónica proporciona una plataforma prometedora para desbloquear hardware cuántico escalable para redes cuánticas de largo alcance con interconexiones entre múltiples dispositivos cuánticos y circuitos fotónicos para experimentos de simulación y computación cuántica. Los estados fotónicos de alta calidad y los circuitos programables rápidos y de bajas pérdidas subyacen a la idea central de las tecnologías cuánticas fotónicas para enrutar y procesar aplicaciones. Recientemente, los investigadores han desarrollado emisores cuánticos de estado sólido, como puntos cuánticos, como fuentes casi ideales y de alta eficiencia de fotones indistinguibles para generar fuentes de fotón único bajo demanda.

Durante este estudio, Sund y sus colegas se centraron en películas delgadas de niobato de litio monocristalino unidas sobre un sustrato aislante de sílice como una plataforma prometedora debido a sus fuertes propiedades eléctrico-ópticas, alta transparencia y alto contraste de índice para formar circuitos integrados. Dado que el rango de transparencia de los materiales variaba, eran adecuados para funcionar con una variedad de emisores cuánticos de estado sólido, con compatibilidad para funcionar a temperaturas criogénicas.

En este trabajo, el equipo describió por primera vez el desarrollo de niobato de litio multimodo en circuitos aislantes para el procesamiento de información cuántica a nivel de fotón único. Lo lograron utilizando los circuitos para regular y facilitar la función de los estados cuánticos de la luz emitidos por una fuente de fotón único de punto cuántico. El equipo inyectó fotones individuales emitidos por una fuente de puntos cuánticos integrada en una guía de ondas en el circuito óptico de niobato de litio para mostrar las funcionalidades clave subyacentes al procesamiento de información cuántica fotónica, como la interferencia multifotónica en un circuito unitario universal reconfigurable.

Sund y sus colegas ilustraron la geometría utilizada para realizar niobato de litio monomodo en guías de ondas aislantes. Implementaron los circuitos ópticos como guías de ondas de nervaduras mediante litografía con haz de electrones y grabado con argón sobre una película de niobato de litio unida a un sustrato de sílice sobre silicio.

Después de grabarlos, cubrieron las guías de ondas con una capa de hidrógeno silsesquioxano y acoplaron ópticamente los circuitos integrados fotónicos a fibras monomodo para mejorar la eficiencia de acoplamiento para un enfoque activo para interconectar interruptores y circuitos ópticos rápidos con fibras ópticas. Los científicos e ingenieros de materiales realizaron los circuitos de guía de ondas sintonizables electroópticamente con un interferómetro Mach-Zehnder completo con acopladores direccionales y un desfasador sintonizable eléctricamente. El equipo probó el rendimiento de alta velocidad de los moduladores para evaluar las capacidades de los circuitos integrados fotónicos construidos.

Durante el procesamiento de información cuántica fotónica, los investigadores investigaron la visibilidad de la interferencia cuántica multifotónica mediante experimentos de Hong-Ou-Mandel en el chip para probar el rendimiento de la plataforma para el procesamiento de información cuántica fotónica. Los científicos de materiales generaron fotones individuales utilizando un punto cuántico de arseniuro de indio autoensamblado incrustado en una nanoestructura fotónica y electrónica.

El dispositivo contenía una guía de ondas de cristal fotónico de un solo lado y una rejilla de guía de ondas poco profunda para una generación eficiente de fotones junto con un heterodiodo para la supresión del ruido eléctrico y el ajuste de la longitud de onda de la emisión. Los científicos crearon un estado de entrada de dos fotones a partir de una corriente de fotones individuales emitidos por el punto cuántico, mientras usaban un demultiplexor fuera del chip para separar pares de fotones consecutivos, permitiendo la llegada simultánea de los fotones al chip. Luego dirigieron los fotones hacia detectores de fotón único para la detección de coincidencias.

Los enrutadores de fotones rápidos son importantes en la computación cuántica fotónica, donde se pueden instalar con múltiples modos para esquemas de multiplexación en funciones casi deterministas. Sund y sus colegas utilizaron emisores cuánticos deterministas rotando flujos de fotones emitidos para esquemas de redes para reducir los costos en las arquitecturas de computación cuántica fotónica.

El equipo de investigación integró desfasadores rápidos en plataformas de niobato de litio y mostró enrutadores de fotones en chips para fotones emitidos por puntos cuánticos. El demultiplexor en la configuración experimental contenía tres interruptores rápidos de interferómetro electroóptico Mach Zehnder conectados en cascada en una red matricial en forma de árbol. Todo el circuito experimental mostró el potencial prometedor del niobato de litio en la plataforma aislante para encaminar fotones producidos por puntos cuánticos.

Los interferómetros fotónicos cuánticos multimodo con componentes programables son cruciales para implementar funcionalidades centrales fundamentales para las tecnologías cuánticas fotónicas, como puertas multifotónicas y mediciones de fusión para realizar circuitos para experimentos de computación cuántica o simulación cuántica analógica. El equipo exploró las posibilidades del punto cuántico-niobato de litio en plataformas aislantes para esta clase de experimentos e implementó un interferómetro diseñado a partir de una red de seis interferómetros Mach Zehnder y diez moduladores de fase. Luego, los científicos compararon las distribuciones medidas a partir de datos experimentales con predicciones teóricas.

De esta manera, Patrik Sund y sus colegas mostraron la promesa del niobato de litio en plataformas aislantes para procesar fotones de fuentes deterministas de estado sólido emergentes. La plataforma se puede optimizar aún más para tecnologías cuánticas escalables.

El equipo propone utilizar un revestimiento con un índice de refracción más alto durante los experimentos para obtener resultados optimizados. El niobato de litio de alta velocidad en procesadores cuánticos aislantes proporciona una ruta para ampliar las tecnologías fotónicas cuánticas más allá de las nanoestructuras fotónicas, para lograr una computación cuántica fotónica tolerante a fallas a escala.

Más información: Patrik I. Sund et al, Procesador cuántico de niobato de litio de película delgada de alta velocidad impulsado por un emisor cuántico de estado sólido, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7268

Han-Sen Zhong et al, Ventaja computacional cuántica utilizando fotones, Science (2021). DOI: 10.1126/ciencia.abe8770

Información de la revista:Avances científicos, Ciencia

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