In einem bedeutenden Sprung nach vorne für die Quantentechnologie haben Forscher einen Meilenstein bei der Nutzung der Frequenzdimension innerhalb der integrierten Photonik erreicht. Dieser Durchbruch verspricht nicht nur Fortschritte im Quantencomputing, sondern legt auch den Grundstein für ultrasichere Kommunikationsnetzwerke.
Integrierte Photonik, also die Manipulation von Licht in winzigen Schaltkreisen auf Siliziumchips, gilt aufgrund ihrer Skalierbarkeit und Kompatibilität mit der vorhandenen Telekommunikationsinfrastruktur schon seit langem als vielversprechend für Quantenanwendungen.
In einer Studie veröffentlicht In Fortgeschrittene PhotonikForscher vom Centre for Nanosciences and Nanotechnology (C2N), Télécom Paris und STMicroelectronics (STM) haben bisherige Einschränkungen überwunden, indem sie Silizium-Ringresonatoren mit einer Grundfläche von weniger als 0,05 mm2 entwickelten, die in der Lage sind, über 70 verschiedene Frequenzkanäle im Abstand von 21 GHz zu erzeugen.
Dies ermöglicht die Parallelisierung und unabhängige Steuerung von 34 einzelnen Qubit-Gattern mit nur drei standardmäßigen elektrooptischen Geräten. Das Gerät kann effizient verschränkte Photonenpaare mit unterschiedlichen Frequenzbereichen erzeugen, die leicht manipulierbar sind – kritische Komponenten beim Aufbau von Quantennetzwerken.
Die entscheidende Innovation liegt in ihrer Fähigkeit, diese engen Frequenzabstände auszunutzen, um Quantenzustände zu erzeugen und zu steuern. Mithilfe integrierter Ringresonatoren gelang es ihnen, durch einen Prozess namens spontane Vierwellenmischung frequenzverschränkte Zustände zu erzeugen. Diese Technik ermöglicht es Photonen, miteinander zu interagieren und sich zu verschränken, eine entscheidende Fähigkeit zum Aufbau von Quantenschaltkreisen.
Was diese Forschung auszeichnet, ist ihre Praktikabilität und Skalierbarkeit. Indem sie die präzise Steuerung ihrer Siliziumresonatoren nutzten, demonstrierten die Forscher den gleichzeitigen Betrieb von 34 einzelnen Qubit-Gattern mit nur drei handelsüblichen elektrooptischen Geräten. Dieser Durchbruch ermöglicht die Schaffung komplexer Quantennetzwerke, in denen mehrere Qubits unabhängig und parallel manipuliert werden können.
Um ihren Ansatz zu validieren, führte das Team Experimente am C2N durch, bei denen die Quantenzustandstomographie an 17 Paaren maximal verschränkter Qubits über verschiedene Frequenzbereiche hinweg durchgeführt wurde. Diese detaillierte Charakterisierung bestätigte die Genauigkeit und Kohärenz ihrer Quantenzustände und markierte einen bedeutenden Schritt in Richtung praktischer Quantencomputer.
Besonders bemerkenswert ist jedoch, dass die Forscher einen Meilenstein in der Vernetzung erreicht haben, indem sie das ihrer Meinung nach erste vollständig verbundene Quantennetzwerk für fünf Benutzer im Frequenzbereich aufgebaut haben. Diese Leistung eröffnet neue Möglichkeiten für Quantenkommunikationsprotokolle, die auf der sicheren Übertragung von in Quantenzuständen kodierten Informationen beruhen.
Mit Blick auf die Zukunft zeigt diese Forschung nicht nur die Leistungsfähigkeit der Siliziumphotonik bei der Weiterentwicklung von Quantentechnologien, sondern ebnet auch den Weg für zukünftige Anwendungen im Quantencomputing und in der sicheren Kommunikation. Mit weiteren Fortschritten könnten diese integrierten Photonikplattformen Branchen revolutionieren, die auf sichere Datenübertragung angewiesen sind, und bieten beispiellose Rechenleistung und Datensicherheit.
Der korrespondierende Autor Dr. Antoine Henry von C2N und Télécom Paris bemerkt: „Unsere Arbeit zeigt, wie Frequenzbereiche für groß angelegte Anwendungen in der Quanteninformation genutzt werden können. Wir glauben, dass sie Perspektiven für skalierbare Frequenzbereichsarchitekturen für hochdimensionale und ressourceneffiziente Quantenkommunikation bietet.“
Henry merkt an, dass einzelne Photonen bei Telekommunikationswellenlängen ideal für Anwendungen in der realen Welt sind. Die Nutzung bestehender Glasfasernetze mit integrierter Photonik ermöglicht Miniaturisierung, Stabilität und Skalierbarkeitspotenzial für eine erhöhte Komplexität von Geräten und damit eine effiziente und benutzerdefinierte Generierung von Photonenpaaren zur Implementierung von Quantennetzen mit Frequenzkodierung bei Telekommunikationswellenlängen.
Die Auswirkungen dieser Forschung sind enorm. Durch die Nutzung der Frequenzdimension in der integrierten Photonik haben die Forscher wichtige Vorteile wie Skalierbarkeit, Rauschfestigkeit, Parallelisierung und Kompatibilität mit vorhandenen Multiplexing-Techniken in der Telekommunikation erschlossen. Während die Welt immer näher daran kommt, das volle Potenzial der Quantentechnologien auszuschöpfen, dient dieser von den Forschern von C2N, Telecom Paris und STM gemeldete Meilenstein als Leuchtturm, der den Weg in eine Zukunft weist, in der Quantennetzwerke sichere Kommunikation bieten.
Mehr Informationen:
Antoine Henry et al., Parallelisierung von Quantengattern im Frequenzbereich: Manipulation und Verteilung von frequenzverschränkten Photonenpaaren, die von einem 21 GHz Silizium-Mikroresonator erzeugt werden, Fortgeschrittene Photonik (2024). DOI: 10.1117/1.AP.6.3.036003. www.spiedigitallibrary.org/jou … .6.3.036003.full#_=_