Uma equipe de físicos da Universidade de Bristol desenvolveu a primeira fonte de fótons integrada com potencial para fornecer fotônica quântica em grande escala.

O desenvolvimento de tecnologias quânticas promete ter um impacto profundo na ciência, engenharia e sociedade. Computadores quânticos em escala serão capazes de resolver problemas intratáveis ​​até mesmo nos supercomputadores atuais mais poderosos, com muitos aplicativos revolucionários, por exemplo, na concepção de novos medicamentos e materiais.

A fotônica quântica integrada é uma plataforma promissora para o desenvolvimento de tecnologias quânticas devido à sua capacidade de gerar e controlar fótons - partículas únicas de luz - em circuitos ópticos complexos miniaturizados. Alavancar a indústria de silício CMOS madura para a fabricação de dispositivos integrados permite que circuitos com o equivalente a milhares de fibras ópticas e componentes sejam integrados em um único chip de escala milimétrica.

O uso de fotônica integrada para o desenvolvimento de tecnologias quânticas escalonáveis ​​está em alta demanda. A Universidade de Bristol é pioneira neste campo, conforme demonstrado por uma nova pesquisa publicada em Nature Communications .

Dr. Stefano Paesani, o autor principal explica:

"Um desafio importante que tem limitado o dimensionamento da fotônica quântica integrada é a falta de fontes no chip capazes de gerar fótons únicos de alta qualidade. Sem fontes de fótons de baixo ruído, erros em uma computação quântica se acumulam rapidamente ao aumentar a complexidade do circuito, resultando na computação não sendo mais confiável. Além disso, as perdas ópticas nas fontes limitam o número de fótons que o computador quântico pode produzir e processar.

"Neste trabalho, encontramos uma maneira de resolver isso e, ao fazê-lo, desenvolvemos a primeira fonte de fótons integrada compatível com fotônica quântica de grande escala. Para obter fótons de alta qualidade, desenvolvemos uma nova técnica - "mistura espontânea intermodal de quatro ondas" - em que os vários modos de propagação da luz através de um guia de ondas de silício sofrem interferência não linear, criando condições ideais para a geração de fótons individuais. "

Junto com colegas da Universidade de Trento, na Itália, a equipe baseada no grupo do Prof Anthony Laing nos Laboratórios de Tecnologia de Engenharia Quântica (QETLabs) de Bristol comparou o uso de tais fontes para computação quântica fotônica em um experimento anunciado de Hong-Ou-Mandel, um bloco de construção do processamento óptico de informações quânticas, e obteve a interferência quântica fotônica no chip da mais alta qualidade já observada (96% de visibilidade).

Dr. Paesani disse:"O dispositivo demonstrou de longe os melhores desempenhos para qualquer fonte de fótons integrada:pureza espectral e indistinguibilidade de 99% e> 90% de fóton anunciando eficiência. "

Mais importante, o dispositivo fotônico de silício foi fabricado por meio de processos compatíveis com CMOS em uma fundição comercial, o que significa que milhares de fontes podem ser facilmente integradas em um único dispositivo. A pesquisa, financiado pelo Hub in Quantum Computing and Simulation e pelo European Research Council (ERC), do Conselho de Pesquisa em Ciências Físicas e Engenharia (EPSRC), representa um grande passo para a construção de circuitos quânticos em escala e abre caminho para várias aplicações.

"Resolvemos um conjunto crítico de ruídos que anteriormente limitava a escala do processamento de informações quânticas fotônicas. Por exemplo, matrizes de centenas dessas fontes podem ser usadas para construir máquinas fotônicas quânticas de escala intermediária ruidosas (NISQ) de curto prazo, onde dezenas de fótons podem ser processados ​​para resolver tarefas especializadas, como a simulação da dinâmica molecular ou certos problemas de otimização relacionados à teoria dos grafos. "

Agora, os pesquisadores descobriram como construir fontes de fótons quase perfeitas, nos próximos meses, a escalabilidade da plataforma Silicon permitirá que eles integrem dezenas a centenas em um único chip. O desenvolvimento de circuitos em tal escala possibilitará que as máquinas quânticas fotônicas NISQ resolvam problemas industrialmente relevantes, além da capacidade dos supercomputadores atuais.

"Além disso, com otimização avançada e miniaturização da fonte de fótons, nossa tecnologia pode levar a operações quânticas tolerantes a falhas na plataforma fotônica integrada, liberando todo o potencial dos computadores quânticos, "disse o Dr. Paesani.