Ожидается, что в самом ближайшем будущем квантовые компьютеры произведут революцию в способах наших вычислений, благодаря новым подходам к поиску в базах данных, системам искусственного интеллекта, моделированию и многому другому. Но для достижения таких новых применений квантовой технологии необходимы фотонные интегральные схемы, которые могут эффективно управлять фотонными квантовыми состояниями - так называемыми кубитами. Физики из Дрезденского центра Гельмгольца-Россендорфа (HZDR), Дрезденского технического университета и Института кристаллизации имени Лейбница (IKZ) совершили прорыв в этой области: впервые они продемонстрировали контролируемое создание однофотонных излучателей в кремнии на наноуровне, как они сообщают в Сообщения о природе.
Фотонные интегральные схемы, или, короче говоря, PICs, используют частицы света, более известные как фотоны, в отличие от электронов, которые работают в электронных интегральных схемах. Основное различие между ними: Фотонная интегральная схема обеспечивает функции для информационных сигналов, наложенных на оптические длины волн, обычно в ближнем инфракрасном спектре. "На самом деле, эти PIC со многими интегрированными фотонными компонентами способны генерировать, направлять, обрабатывать и обнаруживать свет на одном чипе", - говорит доктор Георгий Астахов, руководитель отдела квантовых технологий в Институте физики ионных пучков и исследований материалов HZDR, и добавляет: "Этот способ готов сыграть ключевую роль роль в грядущих технологиях будущего, таких как квантовые вычисления. И фотографии укажут путь".
Раньше эксперименты по квантовой фотонике были печально известны массовым использованием "объемной оптики", распределенной по оптическому столу и занимающей всю лабораторию. Теперь фотонные чипы радикально меняют этот ландшафт. Миниатюризация, стабильность и пригодность для массового производства могут превратить их в рабочую лошадку современной квантовой фотоники.
Из случайного режима в режим управления
Монолитная интеграция однофотонных источников контролируемым способом обеспечила бы ресурсосберегающий способ реализации миллионов фотонных кубитов в PICs. Чтобы запускать протоколы квантовых вычислений, эти фотоны должны быть неразличимы. Благодаря этому стало бы возможным промышленное производство фотонных квантовых процессоров.
Однако существующий в настоящее время метод изготовления препятствует совместимости этой многообещающей концепции с современными полупроводниковыми технологиями.
В первой попытке, о которой сообщалось около двух лет назад, исследователи уже смогли генерировать одиночные фотоны на кремниевой пластине, но только случайным и немасштабируемым способом. С тех пор они далеко продвинулись. "Теперь мы показываем, как сфокусированные ионные пучки из источников ионов из сплава жидких металлов используются для размещения однофотонных излучателей в желаемых положениях на пластине, получая при этом высокий выход излучения и высокое спектральное качество", - говорит доктор Нико Клингнер, физик.
Кроме того, ученые из HZDR подвергли те же самые однофотонные излучатели строгой программе тестирования материалов: после нескольких циклов охлаждения и прогрева они не наблюдали никакого ухудшения их оптических свойств. Эти результаты отвечают предварительным условиям, необходимым для последующего массового производства.
Чтобы воплотить это достижение в широко распространенную технологию и обеспечить возможность создания индивидуальных фотонных излучателей в атомном масштабе, совместимых с существующим литейным производством, команда внедрила широкополосную имплантацию в коммерческий имплантер с помощью литографически определенной маски. "Эта работа действительно позволила нам воспользоваться преимуществами современного оборудования для обработки кремния в чистых помещениях и электронно-лучевой литографии на заводе по производству наноматериалов Rossendorf", - объясняет доктор Киаран Фоули, руководитель группы чистых помещений и руководитель отдела нанопроизводства и анализа.
Используя оба метода, команда может создать десятки телекоммуникационных однофотонных излучателей в заранее определенных местах с пространственной точностью около 50 нм. Они излучают в стратегически важном телекоммуникационном O-диапазоне и демонстрируют стабильную работу в течение нескольких дней при возбуждении непрерывными волнами.
Ученые убеждены, что реализация контролируемого изготовления однофотонных излучателей в кремнии делает их весьма многообещающим кандидатом для фотонно-квантовых технологий, причем способ изготовления совместим с очень крупномасштабной интеграцией. Эти однофотонные излучатели теперь технологически готовы к производству на полупроводниковых фабриках и встраиванию в существующую телекоммуникационную инфраструктуру.
Комментарии