Integrerad kvantfotonik

Integrerad kvantfotonik, använder fotoniska integrerade kretsar för att styra fotoniska kvanttillstånd för tillämpningar inom kvantteknik . Som sådan ger integrerad kvantfotonik ett lovande tillvägagångssätt för miniatyrisering och uppskalning av optiska kvantkretsar . Den huvudsakliga tillämpningen av integrerad kvantfotonik är kvantteknologi : till exempel kvantberäkning , kvantkommunikation , kvantsimulering , kvantvandringar och kvantmetrologi .

Historia

Linjär optik sågs inte som en potentiell teknologiplattform för kvantberäkning förrän Knill, Laflamme och Milburns verk som visade på genomförbarheten av linjära optiska kvantdatorer som använder detektering och feed-forward för att producera deterministiska två-qubit-grindar. Efter detta fanns det flera experimentella proof-of-princip demonstrationer av två-qubit-grindar utförda i bulkoptik. Det stod snart klart att integrerad optik kunde tillhandahålla en kraftfull möjliggörande teknologi för detta framväxande område. Tidiga experiment i integrerad optik demonstrerade fältets genomförbarhet via demonstrationer av icke-klassisk och klassisk interferens med hög synlighet. Vanligtvis används linjära optiska komponenter som riktningskopplare (som fungerar som stråldelare mellan vågledarlägen) och fasskiftare för att bilda kapslade Mach-Zehnder-interferometrar för att koda qubit i den rumsliga frihetsgraden. Det vill säga, en enskild foton är i superposition mellan två vågledare, där noll- och etttillståndet för qubiten motsvarar fotonens närvaro i den ena eller andra vågledaren. Dessa grundläggande komponenter kombineras för att producera mer komplexa strukturer, såsom intrasslande grindar och omkonfigurerbara kvantkretsar. Omkonfigurerbarhet uppnås genom att ställa in fasskiftarna, som utnyttjar termo- eller elektrooptiska effekter.

Ett annat forskningsområde där integrerad optik kommer att visa sig vara avgörande i sin utveckling är kvantkommunikation och har präglats av omfattande experimentell utveckling som visar till exempel kvantnyckeldistribution (QKD), kvantreläer baserade på entanglement swapping och kvantrepeterare.

Sedan födelsen av integrerad kvantoptik har experiment sträckt sig från tekniska demonstrationer, till exempel integrerade enstaka fotonkällor och integrerade singelfotondetektorer , till grundläggande naturtester, nya metoder för kvantnyckelfördelning och generering av nya kvanttillstånd av ljus. Det har också visat sig att en enda omkonfigurerbar integrerad enhet är tillräcklig för att implementera hela fältet av linjär optik, genom att använda en omkonfigurerbar universell interferometer.

Allt eftersom området har fortskridit har nya kvantalgoritmer utvecklats som ger kort- och långtidsvägar mot demonstrationen av kvantdatorernas överlägsenhet gentemot deras klassiska motsvarigheter. Klustertillståndskvantberäkning är nu allmänt accepterad som den metod som kommer att användas för att utveckla en fullfjädrad kvantdator. Även om utvecklingen av kvantdatorer kommer att kräva syntes av många olika aspekter av integrerad optik, bosonsampling att demonstrera kraften i kvantinformationsbehandling via lättillgängliga teknologier och är därför en mycket lovande algoritm på kort sikt för att göra det. Kort efter dess förslag fanns det faktiskt flera småskaliga experimentella demonstrationer av bosonsamplingsalgoritmen

Introduktion

Kvantfotonik är vetenskapen om att generera, manipulera och detektera ljus i regimer där det är möjligt att konsekvent kontrollera individuella kvanta av ljusfältet (fotoner). Historiskt sett har kvantfotonik varit grundläggande för att utforska kvantfenomen, till exempel med EPR-paradoxen och Bell-testexperiment . Kvantfotonik förväntas också spela en central roll i utvecklingen av framtida teknologier, såsom Quantum computing , Quantum Key Distribution och Quantum metrology . Fotoner är särskilt attraktiva bärare av kvantinformation på grund av deras låga dekoherensegenskaper, ljushastighetsöverföring och lätthet att manipulera. Kvantfotonikexperiment involverade traditionellt "bulk-optik"-teknologi – individuella optiska komponenter (linser, stråldelare, etc.) monterade på ett stort optiskt bord , med en sammanlagd massa på hundratals kilogram.

Integrerad kvantfotonik tillämpning av fotonisk integrerad kretsteknik på kvantfotonik, och ses som ett viktigt steg i utvecklingen av användbar kvantteknologi. Fotoniska chips erbjuder följande fördelar jämfört med bulkoptik:

Miniatyrisering - Storlek, vikt och strömförbrukning reduceras i storleksordningar på grund av mindre systemstorlek.
Stabilitet - Miniatyriserade komponenter producerade med avancerad litografisk teknik producerar vågledare och komponenter som är i sig fasstabila (koherenta) och inte kräver optisk inriktning
Experimentstorlek - Ett stort antal optiska komponenter kan integreras på en enhet som mäter några kvadratcentimeter.
Tillverkbarhet - Enheter kan masstillverkas med mycket liten kostnadsökning.

Eftersom de är baserade på välutvecklade tillverkningstekniker är de element som används i Integrated Quantum Photonics lättare att miniatyrisera, och produkter baserade på detta tillvägagångssätt kan tillverkas med hjälp av befintliga produktionsmetoder.

Material

Kontroll över fotoner kan uppnås med integrerade enheter som kan realiseras i olika materialplattformar som kiseldioxid, kisel , galliumarsenid , litiumniobat och indiumfosfid och kiselnitrid .

Kiseldioxid

Tre metoder för att använda kiseldioxid:

Flamhydrolis.
Fotolitografi .
Direktskrivning - använder endast enstaka material och laser (använd datorstyrd laser för att skada glaset och användarens sidorörelse och fokus för att skriva banor med erforderliga brytningsindex för att producera vågledare). Denna metod har fördelen att den inte behöver ett rent rum. Detta är den vanligaste metoden nu för att göra vågledare av kiseldioxid, och är utmärkt för snabb prototypframställning. Det har också använts i flera demonstrationer av topologisk fotonik.

De största utmaningarna med kiseldioxidplattformen är kontrasten med lågt brytningsindex, bristen på aktiv avstämbarhet efter tillverkning (i motsats till alla andra plattformar) och svårigheten med massproduktion med reproducerbarhet och högt utbyte på grund av inskriptionsprocessens seriella karaktär. . Nyligen arbete har visat möjligheten att dynamiskt omkonfigurera dessa kiseldioxidenheter med hjälp av värmare, även om de kräver måttligt hög effekt.

Kisel

En stor fördel med att använda kisel är att kretsarna kan trimmas aktivt med hjälp av integrerade termiska mikrovärmare eller stiftmodulatorer , efter att enheterna har tillverkats. Den andra stora fördelen med kisel är dess kompatibilitet med CMOS -teknik, som gör det möjligt att utnyttja den mogna tillverkningsinfrastrukturen inom halvledarelektronikindustrin. Strukturerna skiljer sig från moderna elektroniska, men de är lätta skalbara. Kisel har ett riktigt högt brytningsindex på ~3,5 vid den våglängd på 1550 nm som vanligtvis används inom optisk telekommunikation . Den erbjuder därför en av de högsta komponentdensiteterna inom integrerad fotonik. Den stora kontrasten i brytningsindex med klass (1,44) gör att vågledare bildade av kisel omgivna av glas har mycket snäva böjningar, vilket möjliggör hög densitet av komponenter och minskad systemstorlek. Stora kisel-på-isolator (SOI) wafers upp till 300 mm i diameter kan erhållas kommersiellt, vilket gör tekniken både tillgänglig och reproducerbar. Många av de största systemen (upp till flera hundra komponenter) har demonstrerats på kiselfotonikplattformen, med upp till åtta samtidiga fotoner, generering av graftillstånd ( klustertillstånd ) och upp till 15 dimensionella qudits ). Fotonkällor i kiselvågledarkretsar utnyttjar kiselns tredje ordningens olinjäritet för att producera fotonpar i spontan fyrvågsblandning. Kisel är ogenomskinligt för våglängder av ljus under ~1200 nm, vilket begränsar tillämpbarheten på infraröda fotoner. Fasmodulatorer baserade på termoptiska och elektrooptiska faser är karakteristiskt långsamma (KHz) respektive förlustiga (flera dB), vilket begränsar applikationer och förmågan att utföra frammatningsmätningar för kvantberäkning)

Litium Niobate

Litiumniobat erbjuder en stor andra ordningens optisk olinjäritet , vilket möjliggör generering av fotonpar via spontan parametrisk nedkonvertering . Detta kan också utnyttjas för att manipulera fas och utföra lägesomvandling i höga hastigheter, och erbjuda en lovande väg till feed-forward för kvantberäkning, multiplexade (deterministiska) enstaka fotonerkällor. Historiskt har vågledare definierats med titanium-indiffusion, vilket resulterar i stora vågledare (cm böjradie) men de senaste framstegen inom bearbetningen har möjliggjort tunnfilmslitiumniobatvågledare nu erbjuder konkurrenskraftiga förluster och densitet, som överträffar den för kisel.

III-V Material på isolator

Fotoniska vågledare gjorda av grupp III-V-material på isolator, såsom (Al)GaAs och InP, ger några av de största andra och tredje ordningens olinjäriteter, stor brytningsindexkontrast ger stor modal inneslutning och breda optiska bandgap som resulterar i försumbara två- fotonabsorption vid telekommunikationsvåglängder. III-V-material är kapabla till passiva och höghastighetsaktiva komponenter med låg förlust, såsom aktiv förstärkning för on-chip-lasrar, höghastighets elektrooptiska modulatorer (Pockels och Kerr-effekter) och on-chip-detektorer. Jämfört med andra material som kiseldioxid, kisel och kiselnitrid har den stora optiska olinjäriteten samtidigt med låga vågledarförluster och snäv modal inneslutning resulterat i ultraljus generering av intrasslade fotonpar från mikroringresonatorer.

Tillverkning

Konventionella tillverkningstekniker är baserade på fotolitografiska processer , som möjliggör stark miniatyrisering och massproduktion. I kvantoptiktillämpningar har en relevant roll också spelats genom direkt inskription av kretsarna med femtosekundlasrar eller UV-lasrar; dessa är serietillverkningstekniker, som är särskilt lämpliga för forskningsändamål, där nya konstruktioner måste testas med snabb tillverkningsomgång.

Laserskrivna vågledare är dock inte lämpliga för massproduktion och miniatyrisering på grund av inskriptionsteknikens seriella karaktär och på grund av den mycket låga brytningsindexkontrast som tillåts av dessa material, i motsats till fotoniska kretsar av kisel. Femtosekundlaserskrivna kvantkretsar har visat sig särskilt lämpade för manipulering av polarisationsgraden av frihet och för att bygga kretsar med innovativ tredimensionell design. Kvantinformation kodas på chipet i antingen fotonens väg, polarisation, tidsfack eller frekvenstillstånd och manipuleras med hjälp av aktiva integrerade komponenter på ett kompakt och stabilt sätt.

Komponenter

Även om samma grundläggande komponenter används i kvantum som klassiska fotoniska integrerade kretsar , finns det också några praktiska skillnader. Eftersom amplifiering av enstaka fotonkvanttillstånd inte är möjlig ( no-cloning theorem ), är förlust högsta prioritet i komponenter i kvantfotonik.

Enskilda fotonkällor är byggda av byggstenar (vågledare, riktningskopplare, fasskiftare). Typiskt optiska ringresonatorer och långa vågledarsektioner ökad olinjär interaktion för fotonpargenerering, även om framsteg också görs för att integrera solid state-system enstaka fotonkällor baserade på kvantpunkter och kvävevakanscentra med vågledarfotoniska kretsar.

Se även

externa länkar