Optyka kwantowa na chipie
Fotony stanowią obiecujący sposób na wykorzystanie zjawisk kwantowych, ponieważ nie są silnie sprzężone ze światem zewnętrznym. Co równie ważne, kwanty światła mają wiele stopni swobody (częstotliwość, pęd liniowy, spin i orbitalny moment pędu), na których można względnie łatwo implementować, przetwarzać i mierzyć bity kwantowe W oparciu o obszerną literaturę opisującą sposoby ujarzmienia fotonów, uczeni starali się rozwinąć kwantowe układy optyczne w kierunku skalowalnej platformy fotonicznej. Celem projektu QUANPHOCHIP (Quantum photonic chip), finansowanego ze środków UE, było zintegrowanie kwantowych systemów optycznych, takich jak falowody i sprzęgacze kierunkowe do manipulowania kubitami fotonicznymi, na monolitycznym układzie scalonym. Układy na bazie krzemu były tu z wielu powodów oczywistą technologią. Po pierwsze, do produkcji krzemowych układów fotonicznych można wykorzystać istniejące i sprawdzone technologie układów półprzewodnikowych CMOS. Drugą zaletą jest możliwość integracji z mikroelektroniką CMOS i umieszczenia w tym samym układzie elektroniki napędowej i sterującej, co przełoży się na uproszczenie całego systemu i obniżenie jego kosztu. Po trzecie, krzem doskonale współpracuje z materiałami egzotycznymi, na przykład nadprzewodnikami, co umożliwia zintegrowanie w układzie fotonicznym detektorów pojedynczych fotonów, a tym samym wykorzystanie indukowanych pomiarem interakcji nieliniowych między pojedynczymi fotonami. Zespół QUANPHOCHIP wykorzystał fotonikę krzemową w celu zademonstrowania pozbawionych oddziaływania pomiarów na układzie — wcześniej udawało się tego dokonać tylko na tradycyjnych dużych układach optycznych. Uczeni wykorzystali cechę pojedynczych fotonów polegającą na przejawianiu właściwości zarówno fal, jak i cząstek. W pomiarach pozbawionych oddziaływania foton może obrać jedną z dwóch oddzielnych dróg w interferometrze lub też obie. Jeżeli na drodze znajduje się obiekt, kwantowe cząstki wybiorą inną drogę w celu uniknięcia oddziaływania. W celu wdrożenia tej koncepcji w praktyce, uczeni starannie przygotowali sprzęgacze kierunkowe o odpowiednim współczynniku rozszczepienia, aby pełniły rolę interferometrów. Urządzenie wykorzystuje dualizm korpuskularno-falowy, rozpoznając, kiedy dochodzi do uniknięcia danej drogi i wykrywając obecność obiektu bez obserwowania go. Interferencje takie można rozpoznawać z widzialnością powyżej 98%. Przed ukończeniem projektu QUANPHOCHIP uczeni połączyli także z powodzeniem interferencję kwantową z jednofotonową detekcją na układzie krzemowym. Tego rodzaju mikroukłady, zawierające elementy umożliwiające generowanie, manipulowanie i detekcję pojedynczych fotonów, pozwolą urzeczywistnić plany przyspieszenia pewnych klas obliczeń.
Słowa kluczowe
Optyka kwantowa, komputer kwantowy, fotony, QUANPHOCHIP, układ scalony monolityczny
