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Mar 21, 2023

I ricercatori sviluppano una piattaforma fotonica integrata basata su Thin

By Mariana Iriarte June 3, 2023 Researchers are leveraging photonics to develop

Di Mariana Iriarte

3 giugno 2023

I ricercatori stanno sfruttando la fotonica per sviluppare e scalare l’hardware necessario per affrontare i severi requisiti delle tecnologie dell’informazione quantistica. Sfruttando le proprietà della fotonica, i ricercatori sottolineano i vantaggi del ridimensionamento dell’hardware quantistico. Se o quando avrà successo, i ricercatori affermano che l’hardware quantistico su larga scala consentirà reti a lungo raggio, interconnessioni tra più dispositivi quantistici e circuiti fotonici su larga scala per il calcolo e la simulazione quantistica.

Un team interdisciplinare di ricercatori provenienti da Danimarca, Germania e Regno Unito si sta concentrando sui modi migliori per utilizzare la fotonica e sfruttare le sue proprietà per sviluppare una piattaforma in grado di scalare l'hardware quantistico, ha riferito Phys.Org. A tal fine, il team ha sviluppato una piattaforma fotonica integrata basata sul niobato di litio a film sottile, i cui singoli cristalli sono materiali importanti per le onde ottiche e sono un modulatore ideale per la modalità a bassa perdita.

Successivamente, i ricercatori hanno interfacciato la piattaforma fotonica integrata con sorgenti deterministiche a singolo fotone a stato solido basate su punti quantici (cristalli semiconduttori) in guide d'onda nanofotoniche. I fotoni così prodotti vengono elaborati con circuiti a bassa perdita, che secondo i ricercatori sono programmabili a velocità di diversi gigahertz. I ricercatori affermano che i circuiti ottici veloci e riprogrammabili a bassa perdita sono fondamentali per eseguire attività nell'elaborazione delle informazioni quantistiche fotoniche.

La piattaforma ad alta velocità ha aperto la strada ai ricercatori per ottenere diverse funzionalità chiave di elaborazione delle informazioni fotoniche. La prima funzionalità di elaborazione osservata dai ricercatori durante gli esperimenti è stata l'interferenza quantistica su chip. I ricercatori hanno utilizzato l'effetto Hong-OuMandel (HOM), caratterizzato dall'osservazione dell'interferenza di due fotoni. La Figura 1 mostra gli esperimenti HOM su chip eseguiti che hanno testato le prestazioni della piattaforma per l'elaborazione delle informazioni quantistiche fotoniche.

Un'altra funzionalità di elaborazione che il team ha dimostrato essere fondamentale per l'elaborazione delle informazioni fotoniche è un router integrato a fotone singolo. I ricercatori hanno dimostrato un router di fotoni completamente integrato nel chip per i fotoni emessi dai punti quantici. Per raggiungere questo obiettivo, hanno sfruttato la capacità della piattaforma di integrare sfasatori veloci con lunghezze d'onda dell'emettitore quantistico per mostrare il router a fotone singolo integrato.

Il team ha inoltre implementato un interferometro universale a quattro modalità, costituito da una rete di 6 interferometri Mach-Zehnder e 10 modulatori di fase, come mostrato nella Figura 2. Gli interferometri fotonici quantistici multimodali programmabili sono fondamentali per l'implementazione delle funzionalità essenziali delle tecnologie quantistiche fotoniche. . Inoltre, i ricercatori hanno affermato che gli interferometri sono in grado di realizzare circuiti per esperimenti di vantaggio computazionale quantistico o simulazione quantistica analogica.

In un documento di ricerca pubblicato da Science Advances, i ricercatori hanno dettagliato il loro sviluppo della piattaforma fotonica integrata ad alta velocità basata sul niobato di litio a film sottile. L'articolo è intitolato "Processore quantistico al niobato di litio a film sottile ad alta velocità guidato da un emettitore quantistico a stato solido".

Gli autori sostengono che i risultati hanno mostrato che la fotonica integrata con sorgenti di fotoni deterministiche allo stato solido è un’opzione promettente per scalare le tecnologie quantistiche in più fasi. In futuro, la piattaforma potrà essere ulteriormente ottimizzata per ridurre la perdita di accoppiamento e propagazione. In particolare, le architetture di calcolo quantistico tolleranti ai guasti (con livelli di perdita del ≲10% per fotone) sono un passo avanti verso la realtà.

Il team interdisciplinare di ricercatori proviene tutti da istituzioni internazionali tra cui il Center for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q), Niels Bohr Institute, Università di Copenhagen (Danimarca); Istituto di Fisica, Università di Muenster (Germania); CeNTech—Centro per le nanotecnologie (Germania); SoN—Centro per la Soft Nanoscience (Germania); Wolfson Institute for Biomedical Research, University College London (Regno Unito); Università della Ruhr Bochum (Germania); e Università di Heidelberg (Germania).