Sauts quantiques progressifs—élevés

Jun 01, 2023

Reportage du 24 mai 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Les architectures informatiques quantiques photoniques évolutives nécessitent des dispositifs de traitement photonique. Ces plates-formes s'appuient sur des circuits reconfigurables à faible perte et à grande vitesse et sur des générateurs d'état de ressources quasi déterministes. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances, Patrik Sund et une équipe de recherche au centre des réseaux quantiques hybrides de l'Université de Copenhague et de l'Université de Münster ont développé une plate-forme photonique intégrée avec du niobate de lithium en couche mince. Les scientifiques ont intégré la plate-forme à des sources de photons uniques à semi-conducteurs déterministes utilisant des points quantiques dans des guides d'ondes nanophotoniques.

Ils ont traité les photons générés dans des circuits à faible perte à des vitesses de plusieurs gigahertz et ont réalisé expérimentalement une variété de fonctionnalités clés de traitement de l'information quantique photonique sur des circuits à grande vitesse ; avec des caractéristiques clés inhérentes pour développer un circuit photonique universel à quatre modes. Les résultats illustrent une direction prometteuse dans le développement de technologies quantiques évolutives en fusionnant la photonique intégrée avec des sources de photons déterministes à l'état solide.

Les technologies quantiques ont progressivement progressé au cours des dernières années pour permettre au matériel quantique de concurrencer et de surpasser les capacités des supercalculateurs classiques. Cependant, il est difficile de réglementer les systèmes quantiques à grande échelle pour une variété d'applications pratiques et également de créer des technologies quantiques tolérantes aux pannes.

La photonique fournit une plate-forme prometteuse pour débloquer du matériel quantique évolutif pour les réseaux quantiques à longue portée avec des interconnexions entre plusieurs dispositifs quantiques et circuits photoniques pour l'informatique quantique et les expériences de simulation. Les états photoniques de haute qualité et les circuits programmables rapides à faible perte sous-tendent l'idée centrale des technologies quantiques photoniques pour acheminer et traiter les applications. Les chercheurs ont récemment développé des émetteurs quantiques à l'état solide tels que les points quantiques comme sources quasi idéales et à haut rendement de photons indiscernables pour réaliser des sources à photon unique à la demande.

Au cours de cette étude, Sund et ses collègues se sont concentrés sur les couches minces de niobate de lithium monocristallin collées sur un substrat isolant en silice comme plate-forme prometteuse en raison de leurs fortes propriétés électro-optiques, de leur transparence élevée et de leur contraste d'indice élevé pour former des circuits intégrés. Étant donné que la plage de transparence des matériaux variait, ils étaient bien adaptés pour fonctionner avec une variété d'émetteurs quantiques à l'état solide, avec une compatibilité pour fonctionner à des températures cryogéniques.

Dans ce travail, l'équipe a décrit pour la première fois le développement de niobate de lithium multimode sur des circuits isolants pour le traitement de l'information quantique au niveau du photon unique. Ils y sont parvenus en utilisant les circuits pour réguler et faciliter la fonction des états quantiques de la lumière émise par une source de photons uniques à points quantiques. L'équipe a injecté des photons uniques émis par une source de points quantiques intégrée au guide d'ondes dans le circuit optique en niobate de lithium pour montrer les fonctionnalités clés sous-jacentes au traitement de l'information quantique photonique, comme l'interférence multiphotonique sur un circuit unitaire universel reconfigurable.

Sund et ses collègues ont illustré la géométrie utilisée pour réaliser du niobate de lithium monomode sur des guides d'ondes isolants. Ils ont mis en œuvre les circuits optiques sous forme de guides d'ondes nervurés par lithographie par faisceau d'électrons et gravure à l'argon sur un film de niobate de lithium collé sur un substrat de silice sur silicium.

Après les avoir gravés, ils ont revêtu les guides d'ondes d'une couche de silsesquioxane d'hydrogène et couplé optiquement les circuits intégrés photoniques à des fibres monomodes pour une efficacité de couplage améliorée pour une approche active de l'interface des commutateurs optiques rapides et des circuits avec des fibres optiques. Les scientifiques et ingénieurs des matériaux ont réalisé les circuits de guides d'ondes accordables électro-optiquement avec un interféromètre Mach-Zehnder complet avec des coupleurs directionnels et un déphaseur accordable électriquement. L'équipe a testé les performances à grande vitesse des modulateurs pour évaluer les capacités des circuits intégrés photoniques construits.

Au cours du traitement de l'information quantique photonique, les chercheurs ont étudié la visibilité des interférences quantiques multiphotoniques grâce à des expériences Hong-Ou-Mandel sur puce afin de tester les performances de la plate-forme de traitement de l'information quantique photonique. Les scientifiques des matériaux ont généré des photons uniques en utilisant un point quantique d'arséniure d'indium auto-assemblé intégré dans une nanostructure photonique et électronique.

Le dispositif contenait un guide d'ondes à cristal photonique unilatéral et un réseau de guide d'ondes gravé peu profond pour une génération efficace de photons aux côtés d'une hétérodiode pour la suppression du bruit électrique et le réglage de la longueur d'onde d'émission. Les scientifiques ont créé un état d'entrée à deux photons à partir d'un flux de photons uniques émis par le point quantique, tout en utilisant un démultiplexeur hors puce pour séparer des paires de photons consécutifs, permettant une arrivée simultanée des photons sur la puce. Ils ont ensuite acheminé les photons vers des détecteurs à photon unique pour la détection des coïncidences.

Les routeurs de photons rapides sont importants dans l'informatique quantique photonique, où ils peuvent être installés avec plusieurs modes pour des schémas de multiplexage dans des fonctions quasi déterministes. Sund et ses collègues ont utilisé des émetteurs quantiques déterministes en faisant tourner des flux de photons émis pour des schémas de mise en réseau afin de réduire les coûts dans les architectures informatiques quantiques photoniques.

L'équipe de recherche a intégré des déphaseurs rapides sur des plates-formes de niobate de lithium et affiché des routeurs de photons sur puce pour les photons émis par points quantiques. Le démultiplexeur de la configuration expérimentale contenait trois commutateurs d'interféromètre Mach Zehnder électro-optiques rapides montés en cascade dans un réseau matriciel en forme d'arbre. L'ensemble du circuit expérimental a montré le potentiel prometteur du niobate de lithium sur la plate-forme isolante pour acheminer les photons produits par les boîtes quantiques.

Les interféromètres photoniques quantiques multimodes avec des composants programmables sont essentiels à la mise en œuvre des fonctionnalités de base des technologies quantiques photoniques telles que les portes multiphotons et les mesures de fusion pour réaliser des circuits pour des expériences de calcul quantique ou pour la simulation quantique analogique. L'équipe a exploré les possibilités du niobate de lithium à points quantiques sur des plates-formes isolantes pour cette classe d'expériences et a mis en œuvre un interféromètre conçu à partir d'un réseau de six interféromètres Mach Zehnder et de modulateurs à dix phases. Les scientifiques ont ensuite comparé les distributions mesurées à partir de données expérimentales avec des prédictions théoriques.

De cette manière, Patrik Sund et ses collègues ont montré la promesse du niobate de lithium sur des plates-formes isolantes pour traiter les photons provenant de sources déterministes émergentes à l'état solide. La plate-forme peut être encore optimisée pour les technologies quantiques évolutives.

L'équipe propose d'utiliser un revêtement avec un indice de réfraction plus élevé pendant les expériences pour des résultats optimisés. Le niobate de lithium à haute vitesse sur les processeurs quantiques isolants offre une voie pour faire évoluer les technologies photoniques quantiques au-delà des nanostructures photoniques, afin de réaliser un calcul quantique photonique tolérant aux pannes à grande échelle.

Plus d'information: Patrik I. Sund et al, Processeur quantique de niobate de lithium à couche mince à grande vitesse piloté par un émetteur quantique à semi-conducteurs, Science Advances (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adg7268

Han-Sen Zhong et al, Avantage informatique quantique utilisant des photons, Science (2021). DOI : 10.1126/science.abe8770

Informations sur la revue :Avancées scientifiques , Sciences

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