Quantenoptik auf einem Chip
Photonen sind Lichtteilchen, die einen vielversprechenden Weg darstellen, um Quantenphänomene zu nutzen, da sie nicht von starken Kopplungen mit der Außenwelt beeinträchtigt werden. Sie profitieren auch von vielen Freiheitsgraden (Frequenz, Impulssatz, Spin und Bahndrehimpuls), auf die Quantenbits angewandt, verarbeitet und relativ einfach gemessen werden können. Angesichts der umfangreichen Literatur zu den Arten, wie sich Photonen zähmen lassen, begannen die Forscher mit der Weiterentwicklung von quantenoptischen Systemen für die Realisierung einer skalierbaren photonischen Plattform. Ziel des EU-geförderten Projekts QUANPHOCHIP (Quantum photonic chip) war die Integration von quantenoptischen Systemen, wie Wellenleiter und Richtkoppler für die Manipulation von photonischen Qubits, auf einem Solid-State-Chip. Chips auf Siliziumbasis gerechnet wurden aus unterschiedlichen Gründen Ausgewählt. Erstens können Photonikgeräte mit Silizium unter Verwendung etablierter Herstellungstechniken für komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS) hergestellt werden. Zweitens ermöglicht die Integration mit CMOS-basierter Mikroelektronik das Hinzufügen von Treiber- und Steuerelektronik auf demselben Chip, was Packungskomplexität und die Kosten stark reduziert. Drittens lassen sich bei mit exotischem Material (zum Beispiel Supraleiter) kompatiblem Silizium Einzelphotonendetektoren auf dem Chip integrieren, was die messungsinduzierte nichtlineare Wechselwirkung zwischen einzelnen Photonen ermöglicht. Das Team von QUANPHOCHIP verwendete Silizium-Photonil, um interaktionsfreie Messungen auf einem Chip zu demonstrieren - etwas, das vorher auf herkömmlicher Bulk-Optik erreicht wurde. Sie nutzten die Fähigkeit eines einzelnen Photons, die Eigenschaften sowohl einer Welle als auch eines Teilchens aufzuweisen. In einer Interaktionsfreien Messung kann es einen von zwei verschiedenen Pfaden in einem Interferometer oder beide einschlagen. Wenn ein Objekt auf einem Pfad platziert wird, wählen die Quantenteilchen einen anderen Pfad, um Interaktion zu vermeiden. Um diese Idee umzusetzen, stellten die Forscher sorgfältig Richtkoppler mit ausreichenden Teilungsverhältnissen als Interferometer her. Das Gerät nutzt die Welle-Teilchen-Dualität, indem es erkennt, wenn ein Pfad vermieden wird, und die Anwesenheit des Objekts ermittelt, ohne es zu betrachten. Solche Mehrwegstörungen können mit einer Sichtbarkeit von über 98% erkannt werden. Vor Abschluss von QUANPHOCHIP konnten die Forscher auch erfolgreich Quanten-Interferenz mit Einzelphotonendetektion auf einem Silizium-Chip kombinieren. Chips wie diese, die Elemente der Erzeugung, Manipulation und Detektion einzelner Photonen enthalten, werden es ermöglichen, bestimmte Klassen von Berechnungen erheblich zu beschleunigen.
Schlüsselbegriffe
Quantenoptik, Quantencomputer, Photonen, QUANPHOCHIP, Solid-State-Chip
