漸進的な量子飛躍 - 高

May 25, 2023

2023 年 5 月 24 日の特集

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Thamarasee Jeewandara、Phys.org 著

スケーラブルなフォトニック量子コンピューティング アーキテクチャにはフォトニック処理デバイスが必要です。 このようなプラットフォームは、低損失、高速、再構成可能な回路と、ほぼ決定的なリソース状態ジェネレーターに依存しています。 Science Advances に掲載された新しいレポートの中で、Patrik Sund 氏とコペンハーゲン大学、ミュンスター大学のハイブリッド量子ネットワーク中心の研究チームは、薄膜ニオブ酸リチウムを使用した統合フォトニックプラットフォームを開発しました。 科学者らは、ナノフォトニック導波路内の量子ドットを使用して、プラットフォームを決定論的な固体単一光子源と統合しました。

彼らは、生成された光子を低損失回路内で数ギガヘルツの速度で処理し、さまざまな重要な光量子情報処理機能を高速回路上で実験的に実現しました。 4 モードユニバーサルフォトニック回路を開発するための固有の重要な機能を備えています。 この結果は、集積フォトニクスと固体の決定論的光子源を融合することによる、スケーラブルな量子技術の開発における有望な方向性を示している。

量子テクノロジーは過去数年間で徐々に進歩し、量子ハードウェアが従来のスーパーコンピューターの機能と競合し、それを超えることができるようになりました。 しかし、さまざまな実用化に向けて量子システムを大規模に制御し、フォールトトレラントな量子技術を形成することは困難です。

フォトニクスは、量子コンピューティングおよびシミュレーション実験用の複数の量子デバイスおよびフォトニック回路にわたる相互接続を備えた長距離量子ネットワーク用のスケーラブルな量子ハードウェアを解放する有望なプラットフォームを提供します。 高品質のフォトニック状態と高速で低損失のプログラマブル回路は、アプリケーションのルーティングと処理を行うためのフォトニック量子テクノロジーの中心的なアイデアの基礎となっています。 研究者らは最近、オンデマンドの単一光子源を実現するための、ほぼ理想的な高効率の区別不可能な光子の源として、量子ドットなどの固体量子エミッタを開発した。

この研究において、Sundらは、集積回路を形成するための強力な電気光学特性、高い透明性、高い屈折率コントラストを備えた有望なプラットフォームとして、シリカ絶縁基板上に接合された単結晶ニオブ酸リチウム薄膜に焦点を当てた。 材料の透明度範囲はさまざまであるため、極低温で機能する互換性を備え、さまざまな固体量子エミッターとの機能に適しています。

この研究でチームは、単一光子レベルでの量子情報処理のための絶縁体回路上のマルチモードニオブ酸リチウムの開発について初めて説明した。 彼らは、量子ドット単一光子源から放出される光の量子状態の機能を調整し、促進する回路を使用することによってこれを達成した。 研究チームは、導波路集積量子ドット源から放出される単一光子をニオブ酸リチウム光回路に注入し、再構成可能なユニバーサルユニタリー回路上の多光子干渉など、光量子情報処理の基礎となる重要な機能を示した。

Sundらは、絶縁体導波路上でシングルモードニオブ酸リチウムを実現するために使用される形状を図解した。 彼らは、電子ビームリソグラフィーとアルゴンエッチングにより、シリカ・オン・シリコン基板上に接合されたニオブ酸リチウム膜上に光回路をリブ導波路として実装した。

それらをエッチングした後、導波路を水素シルセスキオキサン層で覆い、高速光スイッチおよび回路と光ファイバーを接続するアクティブなアプローチの結合効率を向上させるために、フォトニック集積回路をシングルモードファイバーに光学的に結合した。 材料科学者と技術者は、方向性結合器と電気的に調整可能な移相器を備えたマッハツェンダー干渉計を使用して、電気光学的に調整可能な導波路回路を実現しました。 チームは、構築されたフォトニック集積回路の能力を評価するために、変調器の高速性能をテストしました。

光量子情報処理中に、研究者らはオンチップHong-Ou-Mandel実験を通じて多光子量子干渉の可視性を調査し、光量子情報処理用プラットフォームの性能をテストした。 材料科学者らは、フォトニックおよび電子ナノ構造に埋め込まれた自己組織化ヒ化インジウム量子ドットを使用して単一光子を生成しました。

このデバイスには、電気ノイズ抑制と発光波長調整のためのヘテロダイオードとともに、効率的な光子生成のための片面フォトニック結晶導波路と浅くエッチングされた導波路回折格子が含まれていました。 科学者らは、量子ドットが放出する単一光子のストリームから2光子入力状態を作成し、同時にオフチップデマルチプレクサを使用して連続する光子のペアを分離し、光子がチップに同時に到着できるようにした。 次に、同時計数検出のために光子を単一光子検出器に送りました。

高速フォトンルーターは、フォトニック量子コンピューティングにおいて重要であり、ほぼ決定論的な機能での多重化スキーム用の複数のモードをインストールできます。 Sundらは、ネットワーク方式で放出された光子のストリームを回転させることで決定論的な量子エミッターを利用し、フォトニック量子コンピューティングアーキテクチャのコストを削減した。

研究チームは、ニオブ酸リチウムプラットフォーム上に高速移相器を統合し、量子ドット放出光子用のオンチップ光子ルータを展示した。 実験装置のデマルチプレクサには、ツリー状のマトリックス ネットワークにカスケード接続された 3 つの高速電気光学マッハ ツェンダー干渉計スイッチが含まれていました。 実験回路全体は、量子ドットによって生成された光子を経路指定する絶縁体プラットフォーム上のニオブ酸リチウムの有望な可能性を示しました。

プログラマブルコンポーネントを備えたマルチモード量子フォトニック干渉計は、量子計算実験やアナログ量子シミュレーション用の回路を実現するための多光子ゲートや核融合測定など、フォトニック量子技術の中核となるコア機能を実装するために不可欠です。 チームは、このクラスの実験向けに絶縁体プラットフォーム上の量子ドット - ニオブ酸リチウムの可能性を調査し、6 つのマッハツェンダー干渉計と 10 個の位相変調器のネットワークから設計された干渉計を実装しました。 次に科学者たちは、実験データから測定された分布を理論的予測と比較しました。

このようにして、Patrik Sundらは、絶縁体プラットフォーム上のニオブ酸リチウムが、新たな固体決定論的光源からの光子を処理できる可能性を示した。 このプラットフォームは、スケーラブルな量子テクノロジー向けにさらに最適化できます。

研究チームは、結果を最適化するために、実験中により高い屈折率を持つクラッドを使用することを提案しています。 絶縁体上の高速ニオブ酸リチウム量子プロセッサは、フォトニックナノ構造を超えて量子フォトニック技術をスケールアップする手段を提供し、フォールトトレラントなフォトニック量子コンピューティングを大規模に実現します。

詳しくは： Patrik I. Sund 他、固体量子エミッタによって駆動される高速薄膜ニオブ酸リチウム量子プロセッサ、Science Advances (2023)。 DOI: 10.1126/sciadv.adg7268

Han-Sen Zhong 他、光子を使用した量子計算の利点、サイエンス (2021)。 DOI: 10.1126/science.abe8770

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