Вчені розробили найменший у світі квантовий детектор світла

Дослідники з Брістольського університету зробили важливий прорив у квантових технологіях масштабування, інтегрувавши найменший у світі квантовий детектор світла в кремнієвий чіп. Стаття «Квантовий детектор світла з електронною фотонною інтегральною схемою Bi-CMOS » була опублікована в Science Advances.

Критичним моментом у розблокуванні інформаційної ери став той момент, коли вчені та інженери вперше змогли мініатюризувати транзистори на дешевих мікросхемах у 1960-х роках.

Тепер вчені Брістольського університету вперше продемонстрували інтеграцію квантового детектора світла — меншого за людську волосину — в кремнієвий чіп, наближаючи нас на один крок до епохи квантових технологій, що використовують світло.

Масштабне виробництво високопродуктивної електроніки та фотоніки має фундаментальне значення для реалізації наступного покоління передових інформаційних технологій. Пошук того, як створити квантові технології на існуючих комерційних об’єктах, є постійною міжнародною роботою, якою займаються університетські дослідження та компанії по всьому світу.

Це може виявитися вирішальним для квантових обчислень, щоб мати можливість створювати високоефективне квантове обладнання в масштабі через величезну кількість компонентів, які, як очікується, побудують навіть одну машину. Переслідуючи цю мету, дослідники з Брістольського університету продемонстрували тип квантового детектора світла, який реалізований на чіпі зі схемою, яка займає 80 мікрометрів на 220 мікрометрів.

Критично малий розмір означає, що квантовий детектор світла може бути швидким, що є ключовим для розблокування високошвидкісного квантового зв’язку та забезпечення високошвидкісної роботи оптичних квантових комп’ютерів. Використання усталених і комерційно доступних методів виготовлення сприяє перспективам раннього включення в інші технології, такі як зондування та комунікації.

«Ці типи детекторів називаються гомодинними детекторами, і вони з’являються скрізь у програмах квантової оптики», — пояснює професор Джонатан Метьюз, який керував дослідженням і є директором лабораторії квантової інженерної технології.

«Вони працюють при кімнатній температурі, і ви можете використовувати їх для квантового зв’язку в неймовірно чутливих датчиках, таких як найсучасніші детектори гравітаційних хвиль, і існують проекти квантових комп’ютерів, які використовують ці детектори».

У 2021 році команда з Брістоля показала, як об’єднання фотонного чіпа з окремою електронною мікросхемою може збільшити швидкість квантових детекторів світла — тепер завдяки єдиному електронно-фотонному інтегрованому чіпу команда ще більше збільшила швидкість у 10 разів, одночасно зменшивши площу. у 50 разів. Хоча ці детектори швидкі та малі, вони також чутливі.

«Ключ до вимірювання квантового світла — це чутливість до квантового шуму», — пояснює автор, доктор Джакомо Ферранті.

«Квантова механіка відповідає за невеликий, фундаментальний рівень шуму в усіх оптичних системах. Поведінка цього шуму розкриває інформацію про те, яке квантове світло поширюється в системі, воно може визначити, наскільки чутливим може бути оптичний датчик, і це можна використати для математичної реконструкції квантових станів. У нашому дослідженні було важливо показати, що зменшення розмірів і швидкість детектора не блокує його чутливість для вимірювання квантових станів».

Автори відзначають, що попереду ще більше захоплюючих досліджень щодо інтеграції іншого революційного апаратного забезпечення квантових технологій аж до масштабу чіпа. Завдяки новому детектору ефективність має підвищитися, і є робота, щоб випробувати детектор у багатьох різних застосуваннях.

Професор Метьюз додав: «Ми створили детектор за допомогою комерційно доступного ливарного заводу, щоб зробити його застосування більш доступним. Хоча ми неймовірно схвильовані наслідками для ряду квантових технологій, дуже важливо, щоб ми, як спільнота, продовжували боротися з завдання масштабованого виготовлення квантової технології.

«Без демонстрації дійсно масштабованого виготовлення квантового обладнання вплив і переваги квантової технології будуть відкладені та обмежені».