Chipschaltung für Licht könnte auf Quantenberechnungen angewendet werden

Die Fähigkeit, die kleinste Lichteinheit – das Photon – mit minimalem Verlust zu übertragen und zu manipulieren, spielt eine entscheidende Rolle in der optischen Kommunikation sowie bei Designs für Quantencomputer, die Licht statt elektrischer Ladungen zum Speichern und Übertragen von Informationen verwenden würden.

Jetzt haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) und ihre Kollegen auf einem einzigen Mikrochip Quantenpunkte – künstliche Atome, die einzelne Photonen schnell und nach Bedarf erzeugen, wenn sie von einem Laser beleuchtet werden – mit Miniaturschaltkreisen verbunden, die dies können leiten das Licht ohne nennenswerten Intensitätsverlust.

Um die extrem verlustarmen Schaltkreise herzustellen, stellten die Forscher Siliziumnitrid-Wellenleiter her – die Kanäle, durch die die Photonen wanderten – und vergruben sie in Siliziumdioxid. Die Kanäle waren breit, aber flach, eine Geometrie, die die Wahrscheinlichkeit verringerte, dass Photonen aus den Wellenleitern gestreut würden. Das Einkapseln der Wellenleiter in Siliziumdioxid trug ebenfalls dazu bei, die Streuung zu reduzieren.

Die Wissenschaftler berichteten, dass ihre Prototyp-Schaltkreise einen Intensitätsverlust aufweisen, der nur einem Prozent ähnlicher Schaltkreise – ebenfalls mit Quantenpunkten – entspricht, die von anderen Teams hergestellt wurden.

Letztendlich könnten Geräte, die diese neue Chiptechnologie enthalten, die seltsamen Eigenschaften der Quantenmechanik nutzen, um komplexe Berechnungen durchzuführen, zu denen klassische (Nicht-Quanten-)Schaltungen möglicherweise nicht in der Lage sind.

Zum Beispiel hat ein einzelnes Photon nach den Gesetzen der Quantenmechanik eine Wahrscheinlichkeit, sich gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten aufzuhalten, wie z. B. zwei verschiedenen Wellenleitern. Diese Wahrscheinlichkeiten können verwendet werden, um Informationen zu speichern; Ein einzelnes Photon kann als Quantenbit oder Qubit fungieren, das viel mehr Informationen enthält als das binäre Bit eines klassischen Computers, das auf einen Wert von 0 oder 1 begrenzt ist.

Um die zur Lösung von Rechenproblemen erforderlichen Operationen auszuführen, müssen diese Photonen-Qubits – die sich alle mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen und nicht voneinander zu unterscheiden sind – gleichzeitig an bestimmten Verarbeitungsknoten in der Schaltung ankommen. Das stellt eine Herausforderung dar, da Photonen, die von verschiedenen Orten stammen – und entlang verschiedener Wellenleiter wandern – über die Schaltung in deutlich unterschiedlichen Abständen von Verarbeitungspunkten liegen können. Um eine gleichzeitige Ankunft zu gewährleisten, müssen Photonen, die näher am vorgesehenen Ziel emittiert werden, ihre Reise verzögern, wodurch diejenigen, die in weiter entfernten Wellenleitern liegen, einen Vorsprung haben.

Die Schaltung, die von NIST-Forschern, darunter Ashish Chanana und Marcelo Davanco, zusammen mit einem internationalen Team von Kollegen entwickelt wurde, ermöglicht erhebliche Zeitverzögerungen, da sie Wellenleiter unterschiedlicher Länge verwendet, die Photonen für relativ lange Zeiträume speichern können. Die Forscher berechnen zum Beispiel, dass ein 3 Meter langer Wellenleiter (der eng gewickelt ist, sodass sein Durchmesser auf einem Chip nur wenige Millimeter beträgt) eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit hätte, ein Photon mit einer Zeitverzögerung von 20 Nanosekunden (Milliardstel a Sekunde). Im Vergleich dazu waren frühere Geräte, die von anderen Teams entwickelt wurden und unter ähnlichen Bedingungen betrieben wurden, darauf beschränkt, Zeitverzögerungen von nur einem Hundertstel so langer Zeit zu induzieren.

Die mit der neuen Schaltung erzielten längeren Verzögerungszeiten sind auch wichtig für Operationen, bei denen Photonen von einem oder mehreren Quantenpunkten in gleichen zeitlichen Abständen an einem bestimmten Ort ankommen müssen. Darüber hinaus könnte die verlustarme Quantenpunktschaltung die Anzahl der einzelnen Photonen, die zum Tragen von Quanteninformationen auf einem Chip zur Verfügung stehen, dramatisch erhöhen und größere, schnellere und zuverlässigere Computer- und Informationsverarbeitungssysteme ermöglichen

Die Wissenschaftler, zu denen Forscher der University of California, Santa Barbara (UCSB), des Massachusetts Institute of Technology (MIT), des Korea Institute of Science and Technology und der University of São Paulo in Brasilien gehören, berichteten am 11. Dezember über ihre Ergebnisse Naturkommunikation.

Die Hybridschaltung besteht aus zwei Komponenten, die zunächst jeweils auf einem separaten Chip aufgebaut sind. Eines, ein Galliumarsenid-Halbleiterbauelement, das am NIST entworfen und hergestellt wurde, beherbergt die Quantenpunkte und leitet die einzelnen Photonen, die sie erzeugen, direkt in ein zweites Bauelement – ​​einen verlustarmen Siliziumnitrid-Wellenleiter, der an der UCSB entwickelt wurde.

Um die beiden Komponenten zu verbinden, benutzten Forscher am MIT zunächst die feine Metallspitze einer Pick-and-Place-Mikrosonde, die wie ein Miniatur-Brecheisen wirkte, um das Galliumarsenid-Gerät aus dem am NIST gebauten Chip zu lösen. Dann platzierten sie es auf dem Siliziumnitrid-Schaltkreis auf dem anderen Chip.

Die Forscher stehen vor mehreren Herausforderungen, bevor die Hybridschaltung routinemäßig in einem photonischen Gerät eingesetzt werden kann. Derzeit können nur etwa 6 Prozent der einzelnen Photonen, die von den Quantenpunkten erzeugt werden, in den Schaltkreis eingeschleust werden. Simulationen deuten jedoch darauf hin, dass die Rate auf über 80 Prozent steigen könnte, wenn das Team den Winkel ändert, in dem die Photonen geleitet werden, zusammen mit Verbesserungen bei der Positionierung und Ausrichtung der Quantenpunkte.

Ein weiteres Problem ist, dass die Quantenpunkte nicht immer einzelne Photonen mit genau derselben Wellenlänge emittieren, eine Voraussetzung für die Erzeugung der ununterscheidbaren Photonen, die für die Quantenrechenoperationen erforderlich sind. Das Team untersucht mehrere Strategien, darunter das Anlegen eines konstanten elektrischen Felds an die Punkte, die dieses Problem lindern könnten.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST neu veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte Hier.