Przełącznik optyczny przyspiesza rozwój kwantowej technologii komputerowej
Wyniki pracy naukowców z Królewskiego Instytutu Technologii KTH w Szwecji i Uniwersytetu Johannesa Keplera w Linzu, w Austrii pozwolą na umieszczenie przełącznika optycznego i detektorów pojedynczych fotonów na jednym czipie. Dokonania zespołu finansowanego ze środków UE projektu S2QUIP, który opracował nową, niegenerującą ciepła metodę kontrolowania pojedynczych fotonów, wpłyną na dalszy rozwój dziedziny obliczeń kwantowych. Wnioski i ustalenia zespołu opublikowano w czasopiśmie „Nature Communications”. Stosowane obecnie przełączniki optyczne działają poprzez nagrzewanie światłowodów umieszczonych we wnętrzu czipa półprzewodnikowego. „Ta technologia nie sprawdza się w przypadku rozwiązań z zakresu optyki kwantowej”, podkreśla w komunikacie prasowym zamieszczonym na portalu internetowym „EurekAlert!” pierwszy z autorów publikacji Samuel Gyger z Królewskiego Instytutu Technologii KTH będącego partnerem projektu S2QUIP. „Ponieważ zależy nam na detekcji każdego pojedynczego fotonu stosujemy detektory kwantowe, których działanie polega na pomiarze ciepła generowanego przez pojedynczy foton po absorpcji przez materiał nadprzewodzący. Gdybyśmy zastosowali tradycyjny przełącznik, nasze detektory zalałaby fala ciepła, co uniemożliwiłoby ich funkcjonowanie”, przekonuje Gyger. Ciepło generowane przez zdolne do ponownej konfiguracji obwody fotoniczne sprawia, że są one niezgodne z czułymi na temperaturę nadprzewodzącymi detektorami pojedynczych fotonów, co utrudnia umieszczanie tych obwodów i detektorów na jednym czipie.
Wyrzucenie ciepła poza nawias
Aby rozwiązać problem ciepła, badacze opracowali przełącznik optyczny, którego ponowna konfiguracja odbywa się nie pod wpływem ciepła, lecz w wyniku ruchu elektromechanicznego zachodzącego na poziomie mikroskopowym. To umożliwia kontrolowanie pojedynczych fotonów bez nagrzewania się czipu półprzewodnikowego, co w przeciwnym razie skutkowałoby upośledzeniem działania detektora pojedynczych fotonów. Taki przełącznik jest również kompatybilny z czułymi na temperaturę detektorami i umożliwia ich integrację w ramach pojedynczego czipa. Oprócz wykazania kompatybilności rekonfigurowalnych obwodów fotonicznych i nadprzewodzących detektorów pojedynczych fotonów z czipem badacze zademonstrowali również trzy kluczowe funkcjonalności kwantowych technologii fotonicznych. Należą do nich konfigurowalne trasowanie strumienia światła w stanie klasycznym i kwantowym, detekcja pojedynczych fotonów o szerokim zakresie dynamicznym oraz stabilizacja energii wzbudzenia optycznego przy pomocy pętli sprzężenia zwrotnego. Jak donoszą autorzy badania, ich wyniki pokazały, że połączenie systemów mikroelektromechanicznych z nadprzewodnikowymi nanoprzewodowymi detektorami pojedynczych fotonów „umożliwia umieszczenie na czipie nie tylko podstawowych elementów budulcowych optyki kwantowej, ale także urządzeń służących do adaptacyjnej kontroli, monitorowania i stabilizacji klasycznych i kwantowych układów optycznych”. „Nasza technologia pozwoli na połączenie wszystkich elementów składowych niezbędnych do stworzenia zintegrowanych obwodów optycznych na potrzeby technologii kwantowych”, podkreśla w artykule zamieszczonym na portalu „EurekAlert!” jeden ze współautorów publikacji Carlos Errando-Herranz z Królewskiego Instytutu Technologii KTH w Szwecji. „Dzięki technologiom kwantowym możliwe będzie bezpieczne szyfrowanie wiadomości oraz opracowanie metod obliczeniowych zdolnych do rozwiązywania problemów, z którymi nie radzą sobie dzisiejsze komputery. Dostarczą nam również narzędzi symulacyjnych do badania podstawowych praw natury, przybliżając nas tym samym do odkrycia nowych materiałów i leków”. Twórcy projektu S2QUIP (Scalable Two-Dimensional Quantum Integrated Photonics) chcą dokonać zmiany paradygmatu w zakresie opracowywania skalowalnych i opłacalnych kwantowych źródeł światła integrowanych na czipie. Projekt dobiegnie końca w marcu 2022 roku. Więcej informacji: strona projektu S2QUIP
Słowa kluczowe
S2QUIP, kwantowy, detektor pojedynczego fotonu, przełącznik optyczny, czip
