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Mar 21, 2023

Forscher entwickeln integrierte photonische Plattform auf Basis von Thin

Von Mariana Iriarte, 3. Juni 2023 Forscher nutzen die Photonik für die Entwicklung

Von Mariana Iriarte

3. Juni 2023

Forscher nutzen die Photonik, um die Hardware zu entwickeln und zu skalieren, die zur Bewältigung der strengen Anforderungen der Quanteninformationstechnologien erforderlich ist. Durch die Nutzung der Eigenschaften der Photonik weisen Forscher auf die Vorteile der Skalierung von Quantenhardware hin. Im Erfolgsfall sagen Forscher, dass Quantenhardware im großen Maßstab Netzwerke mit großer Reichweite, Verbindungen zwischen mehreren Quantengeräten und groß angelegte photonische Schaltkreise für Quantencomputer und -simulation ermöglichen wird.

Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Dänemark, Deutschland und dem Vereinigten Königreich konzentriert sich auf die besten Möglichkeiten, Photonik zu nutzen und ihre Eigenschaften zu nutzen, um eine Plattform zu entwickeln, die Quantenhardware skalieren kann, berichtete Phys.Org. Zu diesem Zweck entwickelte das Team eine integrierte photonische Plattform auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat, dessen Einkristalle wichtige Materialien für optische Wellen und ein idealer Modulator für den verlustarmen Modus sind.

Anschließend verbanden die Forscher die integrierte Photonenplattform mit deterministischen Festkörper-Einzelphotonenquellen, die auf Quantenpunkten (Halbleiterkristallen) in nanophotonischen Wellenleitern basieren. Die dabei erzeugten Photonen werden mit verlustarmen Schaltkreisen verarbeitet, die den Forschern zufolge mit Geschwindigkeiten von mehreren Gigahertz programmierbar sind. Forscher geben an, dass schnell umprogrammierbare, verlustarme optische Schaltkreise der Schlüssel zur Erfüllung von Aufgaben in der photonischen Quanteninformationsverarbeitung sind.

Die Hochgeschwindigkeitsplattform ebnete den Forschern den Weg, mehrere wichtige Funktionen der photonischen Informationsverarbeitung zu erreichen. Die erste Verarbeitungsfunktionalität, die Forscher während Experimenten beobachteten, war Quanteninterferenz auf dem Chip. Die Forscher nutzten den Hong-OuMandel (HOM)-Effekt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass Zwei-Photonen-Interferenz beobachtet wird. Abbildung 1 zeigt die durchgeführten On-Chip-HOM-Experimente, mit denen die Leistung der Plattform für die photonische Quanteninformationsverarbeitung getestet wurde.

Eine weitere Verarbeitungsfunktionalität, die das Team demonstrierte und die für die photonische Informationsverarbeitung von entscheidender Bedeutung ist, ist ein integrierter Einzelphotonen-Router. Die Forscher demonstrierten einen vollständig integrierten Photonenrouter für die von Quantenpunkten emittierten Photonen. Um dies zu erreichen, nutzten sie die Fähigkeit der Plattform, schnelle Phasenschieber mit Quantenemitterwellenlängen zu integrieren, um den integrierten Einzelphotonen-Router vorzustellen.

Das Team implementierte außerdem ein universelles Vier-Moden-Interferometer, das aus einem Netzwerk von 6 Mach-Zehnder-Interferometern und 10 Phasenmodulatoren besteht, wie in Abbildung 2 dargestellt. Programmierbare quantenphotonische Multimode-Interferometer sind für die Implementierung wesentlicher Funktionalitäten photonischer Quantentechnologien von größter Bedeutung . Und die Forscher sagten, dass Interferometer in der Lage seien, Schaltkreise für Quantencomputervorteilsexperimente oder analoge Quantensimulationen zu realisieren.

In einem von Science Advances veröffentlichten Forschungsbericht erläuterten Forscher ihre Entwicklung der integrierten Hochgeschwindigkeits-Photonikplattform auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat. Der Artikel trägt den Titel „Hochgeschwindigkeits-Dünnschicht-Lithiumniobat-Quantenprozessor, angetrieben durch einen Festkörper-Quantenemitter“.

Die Autoren argumentieren, dass die Ergebnisse zeigten, dass integrierte Photonik mit deterministischen Festkörper-Photonenquellen eine vielversprechende Option für die Skalierung von Quantentechnologien in mehreren Phasen ist. Zukünftig kann die Plattform weiter optimiert werden, um Kopplungs- und Ausbreitungsverluste zu reduzieren. Insbesondere fehlertolerante Quantencomputing-Architekturen (mit Verlustwerten von ≲10 % pro Photon) sind der Realität einen Schritt näher gekommen.

Das interdisziplinäre Forscherteam kommt alle von internationalen Institutionen, darunter dem Center for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q), Niels Bohr Institute, University of Copenhagen (Dänemark); Institut für Physik, Universität Münster (Deutschland); CeNTech – Zentrum für Nanotechnologie (Deutschland); SoN – Zentrum für weiche Nanowissenschaften (Deutschland); Wolfson Institute for Biomedical Research, University College London (UK); Ruhr-Universität Bochum (Deutschland); und Universität Heidelberg (Deutschland).