Квантовые вычисления с одиночными фотонами становятся ближе к реальности

Одним из многообещающих подходов к масштабируемым квантовым вычислениям является использование полностью оптической архитектуры, в которой кубиты представлены фотонами и управляются зеркалами и светоделителями. На данный момент исследователи продемонстрировали этот метод, называемый линейными оптическими квантовыми вычислениями, в очень небольших масштабах, выполняя операции с использованием всего нескольких фотонов. В попытке масштабировать этот метод для большего количества фотонов исследователи в новом исследовании разработали способ полной интеграции однофотонных источников внутри оптических схем, создавая интегрированные квантовые схемы, которые могут обеспечить масштабируемые оптические квантовые вычисления.

Исследователи Иман Исмаил Заде, Али В. Эльшаари и соавторы опубликовали статью об интегральных квантовых схемах в недавнем выпуске журнала. Нано-буквы.

Как объясняют исследователи, одной из самых больших проблем, стоящих перед реализацией эффективной системы линейно-оптических квантовых вычислений, является интеграция нескольких компонентов, которые обычно несовместимы друг с другом, на одной платформе. Эти компоненты включают источник одиночных фотонов, такой как квантовые точки; устройства маршрутизации, такие как волноводы; устройства для манипулирования фотоны такие как полости, фильтры и квантовые ворота; и детекторы одиночных фотонов.

В новом исследовании ученые экспериментально продемонстрировали метод внедрения квантовых точек, генерирующих одиночные фотоны, внутрь нанопроволок, которые, в свою очередь, инкапсулируются в волновод. Чтобы сделать это с необходимой высокой точностью, они использовали «наноманипулятор», состоящий из вольфрамового наконечника для перемещения и выравнивания компонентов. Попав внутрь волновода, отдельные фотоны могут быть выбраны и направлены в разные части оптической схемы, где в конечном итоге могут быть выполнены логические операции.

«Мы предложили и продемонстрировали гибридное решение для интегрированной квантовой оптики, которое использует преимущества высококачественных однофотонных источников с хорошо развитой фотоникой на основе кремния», — рассказал Заде из Делфтского технологического университета в Нидерландах. Физика.орг. «Кроме того, этот метод, в отличие от предыдущих работ, является полностью детерминированным, то есть в фотонные схемы интегрируются только квантовые источники с выбранными свойствами.

«Предлагаемый подход может служить инфраструктурой для реализации масштабируемых интегральных квантовых оптических схем, которые имеют потенциал для многих квантовых технологий. Кроме того, эта платформа предоставляет физикам новые инструменты для изучения сильного взаимодействия света и материи на наномасштабах и в квантовой электродинамике полостей».

Одним из наиболее важных показателей производительности линейных оптических квантовых вычислений является эффективность связи между источником одиночных фотонов и фотонным каналом. Низкая эффективность указывает на потерю фотонов, что снижает надежность компьютера. Установка здесь обеспечивает эффективность связи около 24% (что уже считается хорошим), и, по оценкам исследователей, оптимизация конструкции и материала волновода может улучшить этот показатель до 92%.

Помимо повышения эффективности связи, в будущем исследователи также планируют продемонстрировать запутанность на кристалле, а также увеличить сложность фотонных схем и однофотонных детекторов.

«В конечном итоге цель состоит в том, чтобы реализовать полностью интегрированную квантовую сеть на кристалле», — сказал Эльшаари из Делфтского технологического университета и Королевского технологического института (KTH) в Стокгольме. «На данный момент существует много возможностей, и эта область недостаточно изучена, но настройка источников на кристалле и генерация неразличимых фотонов входят в число проблем, которые необходимо преодолеть».