Salti quantici progressivi: elevati

Funzionalità del 24 maggio 2023

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Le architetture scalabili di calcolo quantistico fotonico richiedono dispositivi di elaborazione fotonica. Tali piattaforme si basano su circuiti riconfigurabili a basse perdite, ad alta velocità e generatori di stati delle risorse quasi deterministici. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Science Advances, Patrik Sund e un gruppo di ricerca del centro di reti quantistiche ibride dell’Università di Copenaghen e dell’Università di Münster hanno sviluppato una piattaforma fotonica integrata con niobato di litio a film sottile. Gli scienziati hanno integrato la piattaforma con sorgenti deterministiche a singolo fotone a stato solido utilizzando punti quantici in guide d'onda nanofotoniche.

Hanno elaborato i fotoni generati all'interno di circuiti a bassa perdita a velocità di diversi gigahertz e hanno realizzato sperimentalmente una varietà di funzionalità chiave di elaborazione delle informazioni quantistiche fotoniche su circuiti ad alta velocità; con caratteristiche chiave intrinseche per sviluppare un circuito fotonico universale a quattro modalità. I risultati illustrano una direzione promettente nello sviluppo di tecnologie quantistiche scalabili unendo la fotonica integrata con sorgenti di fotoni deterministiche a stato solido.

Le tecnologie quantistiche sono progressivamente avanzate negli ultimi anni per consentire all’hardware quantistico di competere e superare le capacità dei supercomputer classici. Tuttavia, è difficile regolare i sistemi quantistici su larga scala per una varietà di applicazioni pratiche e anche per creare tecnologie quantistiche tolleranti ai guasti.

La fotonica fornisce una piattaforma promettente per sbloccare hardware quantistico scalabile per reti quantistiche a lungo raggio con interconnessioni tra più dispositivi quantistici e circuiti fotonici per esperimenti di calcolo e simulazione quantistica. Gli stati fotonici di alta qualità e i circuiti programmabili veloci e a bassa perdita sono alla base dell’idea centrale delle tecnologie quantistiche fotoniche per instradare ed elaborare le applicazioni. I ricercatori hanno recentemente sviluppato emettitori quantistici a stato solido come i punti quantici come fonti quasi ideali e ad alta efficienza di fotoni indistinguibili per realizzare fonti di fotone singolo su richiesta.

Durante questo studio, Sund e colleghi si sono concentrati sui film sottili di niobato di litio monocristallino legati su un substrato isolante di silice come piattaforma promettente grazie alle loro forti proprietà elettrico-ottiche, elevata trasparenza e elevato indice di contrasto per formare circuiti integrati. Poiché la gamma di trasparenza dei materiali variava, erano adatti a funzionare con una varietà di emettitori quantistici a stato solido, con compatibilità per funzionare a temperature criogeniche.

In questo lavoro, il team ha descritto per la prima volta lo sviluppo del niobato di litio multimodale su circuiti isolanti per l’elaborazione delle informazioni quantistiche a livello di singolo fotone. Hanno raggiunto questo obiettivo utilizzando i circuiti per regolare e facilitare la funzione degli stati quantistici di luce emessi da una sorgente a singolo fotone a punto quantico. Il team ha iniettato singoli fotoni emessi da una sorgente di punti quantici integrata nella guida d’onda nel circuito ottico del niobato di litio per mostrare le funzionalità chiave alla base dell’elaborazione delle informazioni quantistiche fotoniche, come l’interferenza multifotone su un circuito unitario universale riconfigurabile.

Sund e colleghi hanno illustrato la geometria utilizzata per realizzare il niobato di litio monomodale su guide d'onda isolanti. Hanno implementato i circuiti ottici come guide d'onda a coste tramite litografia a fascio di elettroni e incisione con argon su una pellicola di niobato di litio legata su un substrato di silice su silicio.