Pokrok kvantové fotoniky slibuje novou éru výkonných optických obvodů

Kvantové optické obvody, které používají fotony, částice světla, k signalizaci nové budoucnosti zabezpečené komunikace prvním způsobem na světě և kvantový výpočet,

Moderní svět je napájen elektrickými obvody – na „čipu“ – polovodičovém čipu, který je základem počítačů, mobilních telefonů, internetu a dalších aplikací. Očekává se, že v roce 2025 lidé vytvoří 175 zettabytů (175 bilionů gigabajtů) nových dat, Jak můžeme zajistit zabezpečení citlivých dat s tak velkým objemem? A jak můžeme pomocí těchto dat vyřešit takové velké výzvy, od soukromí přes bezpečnost až po změnu klimatu, zejména s ohledem na omezené možnosti dnešních počítačů?

Objevuje se slibná alternativa k kvantové komunikační a výpočetní technologii. K tomu však bude zapotřebí rozsáhlého používání nových výkonných kvantových optických obvodů. čipy, které mohou bezpečně zpracovávat obrovské množství informací, které každý den dostáváme. Výzkumní pracovníci: USC:Rodina Morků և Katedra chemického inženýrství և Věda o materiálech pokročila, aby pomohla s touto technologií.

Zatímco tradiční elektrický obvod je cesta, kterou protékají elektrony elektronového náboje, kvantový optický obvod používá světelné zdroje, které generují jednotlivé světelné částice nebo fotony na vyžádání a působí jako kousky informace najednou. (kvantový bit nebo qubit). Tyto světelné zdroje jsou nano-polovodičové „kvantové tečky“. Sbírky desítek tisíc až jednoho milionu atomů, zabalené v lineární velikosti, menší než jedna tisícina tloušťky typického lidského vlasu, pohřbené v jiné vhodné polovodičové matici. ,

Ukázaly se jako dosud nejuniverzálnější generátory fotonů v poptávce. Optický obvod vyžaduje, aby tyto zdroje jednotlivých fotonů byly uspořádány na polovodičovém čipu v obvyklém vzoru. Fotony s téměř identickými vlnovými délkami ze zdrojů musí být uvolňovány ve vedeném směru. To jim umožňuje manipulovat s přenosem informací, zpracovávat další fotony, interagovat s částicemi.

Dosud byly ve vývoji takových řetězců překážky. Například v současné výrobní technologii přicházejí kvantové tečky v různých velikostech, shromažďují se na čipu na náhodných místech. Skutečnost, že tečky mají různé velikosti a tvary, znamená, že fotony, které emitují, nemají stejné vlnové délky. Nedostatek této polohy je činí nevhodnými pro použití při vývoji optických obvodů.

V nedávné studii vědci z USC prokázali, že jednotlivé fotony mohou být skutečně emitovány ze stejného vejce, kvantové tečky jsou uspořádány přesně. Je třeba poznamenat, že metodu rovnání kvantových teček poprvé vytvořil na USC přední PI, profesor Anupam Madhukar և a jeho tým před téměř třiceti lety, dlouho před současnou explozivní výzkumnou aktivitou kvantové informace – fotonové zdroje: V této nejnovější práci tým USC použil tyto metody k vytvoření jednotlivých kvantových teček s vlastními charakteristikami emise fotonů. Očekává se, že schopnost přesně sladit rovnoměrně emitující kvantové tečky umožní výrobu optických obvodů, což by mohlo vést k novým pokrokům v kvantových výpočetních a komunikačních technologiích.

Práce, která byla zveřejněna Fotonika APL:, v čele s Ifei Hang Angem, v současné době výzkumným pracovníkem v rodině Mork արտար Katedra chemického inženýrství և Náuka o materiálech, odpovídající autor Anupam Madhukar, Kenneth T. Profesor Norris Engineering – profesor chemického inženýrství, elektrotechniky, vědy o materiálech. Fyzika:

„Průlom připravuje půdu pro další kroky potřebné k přechodu od demonstrace jedné fotonové fyzikální laboratoře k výrobě měřítka čipu pomocí kvantového fotonového řetězce,“ řekl Hang Ang. „Má potenciální aplikace v kvantové (bezpečné) komunikaci, zobrazování, senzaci, kvantové simulaci.“

Madhukar řekl, že kvantové tečky lze objednat přesně tak, aby bylo možné manipulovat fotony uvolněné ze dvou nebo více teček, aby se spojily na čipu. To bude základem jednotky pro budování kvantových optických obvodů.

„Pokud je zdroj fotonů náhodně umístěn, nemůže se to stát.“ Řekl Madhukar.

„Současná technologie, která nám umožňuje komunikovat online, například prostřednictvím technologické platformy, jako je Zoom, je založena na integrovaném silikonovém elektronickém čipu. „Pokud by tranzistory na tomto čipu nebyly instalovány na přesně navržených místech, neexistovalo by žádné integrované elektrické připojení,“ řekl Madhukar. „Pro vytvoření kvantových optických obvodů je to stejný požadavek na zdroje fotonů jako kvantové tečky.“

„Tento průlom je příkladem toho, jak mohou výzvy základní vědy o materiálech, například vytváření kvantových teček v přesné poloze a složení, mít dalekosáhlé důsledky pro technologie, jako je kvantová výpočetní technika,“ uvedl Evan Runnerstrom. Army Research Office Programový důstojník, Army Research Laboratory, velení pro rozvoj kapacity armády USA. „To ukazuje, jak cílené investice ARO do základního výzkumu podporují udržitelné vojenské modernizační úsilí v oblastech, jako je síť.“

K vytvoření přesného vyrovnání kvantových teček pro řetězce použil tým metodu nazvanou SESRE (Infrastructure Reduction Epitaxy) vyvinutou ve skupině Madhukar na počátku 90. let. V současné práci tým připravil pravidelné hmoty hmot o velikosti nanometrů (obr. 1 (a)) s definovanou orientací hran na plochém polovodičovém substrátu sestávajícím z arsenidu gália (GaAs). Kvantové tečky se poté vytvoří nad středy přidáním odpovídajících atomů pomocí následující techniky.

Optické obvody pro kvantovou fotoniku

Obrázek 1. a) Obraz rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM) nanometrické hmotové mesy vytvořené na hladkém polovodičovém substrátu. (b) Schéma vývoje profilu Mesa během umístění materiálu s černou šipkou, ukazující směr migrace atomů vedoucí nejprve ke zmenšení velikosti GaAs (přístup SESRE) և pak k umístění kvantové tečky InAs (červená) ke zmenšení velikosti na: posílejte Ga s GaAs, abyste pohřbili červené InAs; Níže je SEM snímek Mesy nesoucí jedinou kvantovou tečku. (c) Označuje hmotnost realizované kvantové tečky pohřbené pod plánovaným povrchem GaAs, symbolicky znázorněnou jako průsvitný kryt umožňující odraz (GaA je neprůhledný). Půjčka: USC

Nejprve se příchozí atomy gália (Ga) shromažďují na částicích nanoměřítka zachycených silami povrchové energie (obr. 1. b. Šipky S), kde jsou drženy GaAs (černý obrys na blízkém vrcholu, obr. 1) (b)). se převádí na atomy india (Ner), které si zase zachovávají indium arsen (InAs) (červený kruh, obr. 1 (b)), následované atomy Ga za vzniku GaAs, čímž tvoří požadované individuální kvantum. : body (nahoře na obr. 1 (b)), které končí vyzařováním jednotlivých fotonů. Aby to bylo užitečné pro vytváření optických obvodů, je nutné vyplnit prostor nano-mesas ve formě pyramidy s povrchovým vyhlazovacím činidlem. Konečný čip je schematicky znázorněn na obrázku 1 (c), kde je neprůhledný GaA zobrazen jako průsvitný povlak, pod kterým jsou umístěny kvantové tečky.

Tato práce nastavuje nový světový rekord v kvantových bodech velkého rozsahu s více než 99,5% emise jednoho fotonu, pokud jde o čistotu a rovnoměrnost vlnové délky emise fotonu, která může být tak úzká jako 1,8 nm, což je o 20 až 40 faktor lepší než typické kvantové tečky, “řekl Zang.

Hang Ang uvedl, že s touto homogenitou je možné použít zavedené metody, jako je lokální topení nebo elektrická pole, k úpravě vlnové délky fotonových vln kvantových teček tak, aby se přesně shodovaly, což je nezbytné k vytvoření potřebných propojení mezi různými kvantovými tečkami. pro řetězy.

To znamená, že vědci mohou poprvé vytvořit kvantové fotonové čipy ve velkém měřítku pomocí osvědčených technik zpracování polovodičů. Kromě toho se tým nyní zaměřuje na zjištění, jak podobné jsou emitované fotony ze stejných և (nebo) různých kvantových teček. Stupeň neviditelnosti může být způsoben kvantovými účinky zapletení interferencí, které jsou základem zpracování kvantových informací: komunikace, kontrola, vnímání nebo počítač.

Hang skončil. „Nyní máme přístup materiální platformy k poskytování velkých, dobře regulovaných zdrojů, které generují potenciálně nepostřehnutelné jednotlivé fotony pro použití kvantových informací. Tento přístup je běžný և lze použít pro kombinace jiných vhodných materiálů k vytvoření kvantových teček vyzařovaných v širokém rozsahu vlnových délek, které jsou preferovány pro různé aplikace, jako je optická komunikace nebo režim střední infračervené vhodný pro monitorování prostředí. Pro lékařská diagnóza. Řekl kat.

Gernot S. Pomrenke, vedoucí OPOSR, Optoelectronics և Photonics, uvedl, že spolehlivé masy na čipu na vyžádání pro zdroje s jedním fotonem jsou velkým krokem vpřed.

„S tímto působivým růstem se práce vědy o materiálech rozšiřuje na úsilí věnované třem desetiletím, než se kvantový informační výzkum stal hlavním proudem,“ řekl Pomrenke. „Předfinancování AFOSR և Zdroje z jiných agentur DoD jsou zásadní pro vizi Madhukaru, jeho tvrdé práce: vize kolegů. „Existuje vysoká pravděpodobnost, že práce způsobí převrat v možnostech datových center, lékařské diagnostiky, obrany a souvisejících technologií.“

Odkaz. „Spect Ifei hang angi, i i Huang, Lucas Jord son, Swarnaba Chataraji, Siwan Louis ու Anupam Madhukari, 20. listopadu 20, Fotonika APL:,
DOI: 10.1063 / 5.0018422:

Spoluautorem článku je Qi Huang, Lucas Jordao z USC Mork’s Chemical Engineering Department Materials Science Department, Swarnabha Chattaraj z Ming Hsieh Electrical and Computer Engineering տեխն Siyuan Lu z IBM Thomas J. Watson Research z centra.

Výzkum je podporován Výzkumným úřadem vzdušných sil (AFOSR) a Výzkumným úřadem americké armády (ARO).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skladování obnovitelné energie v kamenech místo lithiových baterií

V případě přebytku elektřiny z větru nebo slunce se energetická rezerva nabije. To se děje prostřednictvím systému kompresorů a turbín, které čerpají tepelnou...

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Newsletter

Subscribe to stay updated.