Progressive Quantensprünge – hoch

Feature vom 24. Mai 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Skalierbare photonische Quantencomputing-Architekturen erfordern photonische Verarbeitungsgeräte. Solche Plattformen basieren auf verlustarmen, rekonfigurierbaren Hochgeschwindigkeitsschaltungen und nahezu deterministischen Ressourcenzustandsgeneratoren. In einem neuen Bericht, der jetzt in Science Advances veröffentlicht wurde, haben Patrik Sund und ein Forschungsteam am Zentrum für hybride Quantennetzwerke an der Universität Kopenhagen und der Universität Münster eine integrierte photonische Plattform mit Dünnschicht-Lithiumniobat entwickelt. Die Wissenschaftler integrierten die Plattform mithilfe von Quantenpunkten in nanophotonischen Wellenleitern in deterministische Festkörper-Einzelphotonenquellen.

Sie verarbeiteten die erzeugten Photonen in verlustarmen Schaltkreisen mit Geschwindigkeiten von mehreren Gigahertz und realisierten experimentell eine Vielzahl wichtiger photonischer Quanteninformationsverarbeitungsfunktionen auf Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen; mit inhärenten Schlüsselfunktionen zur Entwicklung einer universellen photonischen Schaltung mit vier Modi. Die Ergebnisse veranschaulichen eine vielversprechende Richtung in der Entwicklung skalierbarer Quantentechnologien durch die Kombination integrierter Photonik mit deterministischen Festkörper-Photonenquellen.

Die Quantentechnologien haben sich in den letzten Jahren immer weiter weiterentwickelt, so dass Quantenhardware mit klassischen Supercomputern konkurrieren und deren Fähigkeiten übertreffen kann. Es ist jedoch eine Herausforderung, Quantensysteme im großen Maßstab für eine Vielzahl praktischer Anwendungen zu regulieren und auch fehlertolerante Quantentechnologien zu entwickeln.

Die Photonik bietet eine vielversprechende Plattform zur Erschließung skalierbarer Quantenhardware für Quantennetzwerke mit großer Reichweite und Verbindungen zwischen mehreren Quantengeräten und photonischen Schaltkreisen für Quantencomputer und Simulationsexperimente. Die hochwertigen photonischen Zustände und die schnellen, verlustarmen programmierbaren Schaltkreise liegen der zentralen Idee photonischer Quantentechnologien zur Weiterleitung und Verarbeitung von Anwendungen zugrunde. Forscher haben kürzlich Festkörper-Quantenemitter wie Quantenpunkte als nahezu ideale, hocheffiziente Quellen für nicht unterscheidbare Photonen entwickelt, um bedarfsgesteuerte Einzelphotonenquellen zu realisieren.

Während dieser Studie konzentrierten sich Sund und Kollegen auf einkristalline Lithiumniobat-Dünnfilme, die auf ein isolierendes Siliciumdioxidsubstrat geklebt sind und aufgrund ihrer starken elektrisch-optischen Eigenschaften, hohen Transparenz und hohen Indexkontrast eine vielversprechende Plattform für die Bildung integrierter Schaltkreise darstellen. Da der Transparenzbereich der Materialien variierte, eigneten sie sich gut für den Einsatz mit einer Vielzahl von Festkörper-Quantenemittern und waren für den Betrieb bei kryogenen Temperaturen geeignet.

In dieser Arbeit beschrieb das Team erstmals die Entwicklung von Multimode-Lithiumniobat auf Isolatorschaltungen für die Quanteninformationsverarbeitung auf Einzelphotonenebene. Dies erreichten sie, indem sie die Schaltkreise nutzten, um die Funktion der Quantenzustände des von einer Quantenpunkt-Einzelphotonenquelle emittierten Lichts zu regulieren und zu erleichtern. Das Team injizierte einzelne Photonen, die von einer in den Wellenleiter integrierten Quantenpunktquelle emittiert wurden, in den optischen Schaltkreis aus Lithiumniobat, um Schlüsselfunktionen zu zeigen, die der photonischen Quanteninformationsverarbeitung zugrunde liegen, wie z. B. Multiphotoneninterferenz auf einem rekonfigurierbaren universellen Einheitsschaltkreis.

Sund und Kollegen veranschaulichten die Geometrie, die zur Realisierung von Singlemode-Lithiumniobat auf Isolatorwellenleitern verwendet wird. Sie implementierten die optischen Schaltkreise als Rippenwellenleiter mittels Elektronenstrahllithographie und Argonätzen auf einem Lithiumniobatfilm, der auf einem Siliciumdioxid-auf-Silicium-Substrat befestigt war.

Nach dem Ätzen überzogen sie die Wellenleiter mit einer Wasserstoffsilsesquioxanschicht und koppelten die photonischen integrierten Schaltkreise optisch an Singlemode-Fasern, um die Kopplungseffizienz zu verbessern und einen aktiven Ansatz zur Schnittstelle schneller optischer Schalter und Schaltkreise mit optischen Fasern zu ermöglichen. Die Materialwissenschaftler und Ingenieure realisierten die elektrooptisch abstimmbaren Wellenleiterschaltungen mit einem Mach-Zehnder-Interferometer komplett mit Richtkopplern und einem elektrisch abstimmbaren Phasenschieber. Das Team testete die Hochgeschwindigkeitsleistung der Modulatoren, um die Leistungsfähigkeit der konstruierten photonischen integrierten Schaltkreise zu bewerten.

Während der photonischen Quanteninformationsverarbeitung untersuchten die Forscher die Sichtbarkeit von Multiphotonen-Quanteninterferenz durch On-Chip-Hong-Ou-Mandel-Experimente, um die Leistung der Plattform für die photonische Quanteninformationsverarbeitung zu testen. Die Materialwissenschaftler erzeugten einzelne Photonen, indem sie einen selbstorganisierten Indiumarsenid-Quantenpunkt verwendeten, der in eine photonische und elektronische Nanostruktur eingebettet war.

Das Gerät enthielt einen einseitigen photonischen Kristallwellenleiter und ein flach geätztes Wellenleitergitter für eine effiziente Photonenerzeugung sowie eine Heterodiode zur Unterdrückung von elektrischem Rauschen und zur Abstimmung der Emissionswellenlänge. Die Wissenschaftler erzeugten einen Zwei-Photonen-Eingangszustand aus einem Strom einzelner Photonen, die vom Quantenpunkt emittiert wurden, und verwendeten dabei einen Demultiplexer außerhalb des Chips, um Paare aufeinanderfolgender Photonen zu trennen, sodass die Photonen gleichzeitig am Chip ankommen konnten. Anschließend leiteten sie die Photonen zur Koinzidenzerkennung zu Einzelphotonendetektoren.

Schnelle Photonenrouter sind im photonischen Quantencomputing von Bedeutung, da sie mit mehreren Modi für Multiplexschemata in nahezu deterministischen Funktionen installiert werden können. Sund und Kollegen nutzten deterministische Quantenemitter durch rotierende Ströme emittierter Photonen für Netzwerkschemata, um die Kosten in photonischen Quantencomputerarchitekturen zu senken.

Das Forschungsteam integrierte schnelle Phasenschieber auf Lithiumniobat-Plattformen und stellte On-Chip-Photonenrouter für von Quantenpunkten emittierte Photonen vor. Der Demultiplexer im Versuchsaufbau enthielt drei schnelle elektrooptische Mach-Zehnder-Interferometerschalter, die in einem baumförmigen Matrixnetzwerk kaskadiert waren. Die gesamte Versuchsschaltung zeigte das vielversprechende Potenzial von Lithiumniobat auf der Isolatorplattform, um von Quantenpunkten erzeugte Photonen weiterzuleiten.

Multimode-quantenphotonische Interferometer mit programmierbaren Komponenten sind entscheidend für die Implementierung zentraler Kernfunktionen photonischer Quantentechnologien wie Multiphotonen-Gates und Fusionsmessungen zur Realisierung von Schaltkreisen für Quantenberechnungsexperimente oder für analoge Quantensimulation. Das Team untersuchte die Möglichkeiten von Quantenpunkt-Lithiumniobat auf Isolatorplattformen für diese Experimenteklasse und implementierte ein Interferometer, das aus einem Netzwerk von sechs Mach-Zehnder-Interferometern und zehn Phasenmodulatoren besteht. Anschließend verglichen die Wissenschaftler die gemessenen Verteilungen aus experimentellen Daten mit theoretischen Vorhersagen.

Auf diese Weise zeigten Patrik Sund und Kollegen, dass Lithiumniobat auf Isolatorplattformen vielversprechend ist, um Photonen aus neuen deterministischen Festkörperquellen zu verarbeiten. Die Plattform kann für skalierbare Quantentechnologien weiter optimiert werden.

Das Team schlägt vor, während der Experimente eine Umhüllung mit einem höheren Brechungsindex zu verwenden, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Die Hochgeschwindigkeits-Quantenprozessoren mit Lithiumniobat auf Isolatoren bieten eine Möglichkeit, quantenphotonische Technologien über photonische Nanostrukturen hinaus zu skalieren – um fehlertolerantes photonisches Quantencomputing im großen Maßstab zu erreichen.

Mehr Informationen: Patrik I. Sund et al., Hochgeschwindigkeits-Dünnschicht-Lithiumniobat-Quantenprozessor, angetrieben von einem Festkörper-Quantenemitter, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7268

Han-Sen Zhong et al., Quantencomputervorteil mithilfe von Photonen, Wissenschaft (2021). DOI: 10.1126/science.abe8770

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