Пасивні двофотонні квантові точки забезпечують безпечну фотоніку

Інженери Інсбруцького університету разом з командою вчених з кількох престижних установ представили новий метод створення квантових точок з двома станами. Ці унікальні творіння здатні досягати біекситонного стану без активних перемикаючих елементів (EOM), що є важливою віхою в розвитку квантових технологій.

Робота команди поєднує багаторічні дослідження в квантовій оптиці, фізиці напівпровідників та фотонній інженерії, щоб відкрити шлях до квантових комп'ютерів та комунікацій наступного покоління. Ось що вам потрібно знати.

Фотонні квантові обчислення

Фотонні квантові обчислення використовують світлові фотони для досягнення нового рівня обчислювальної продуктивності. Ці системи функціонують шляхом передачі фотонів через спеціально розроблені оптичні елементи. Ці компоненти дозволяють пристрою обчислювати алгоритми набагато швидше, ніж інші підходи до квантових обчислень.

Примітно, що фотонічна фірма Xanadu оголосила Аврора 22 січня 2025 року — модульний мережевий фотонний прототип, побудований з чотирьох стійкових модулів, з'єднаних оптоволоконним кабелем (12 фізичних кубітів, 35 чіпів, ~13 км оптоволоконного кабелю). Він демонструє практичний шлях до масштабованості, а не відмовостійкості.

Незважаючи на кращу продуктивність, Aurora все ще стикається з багатьма традиційними перешкодами для квантових обчислень, включаючи високу вартість, технічні вимоги та спеціалізоване обладнання.

Джерело - Інсбрукський університет

Чому квантові точки є ідеальними джерелами однофотонного випромінювання

Щоб подолати ці перешкоди, інженери почали досліджувати квантові точки. Ці напівпровідники можуть забезпечити детерміновану генерацію багатофотонних станів, що робить їх ідеальними будівельними блоками для кубітів у квантових обчислювальних застосуваннях.

Примітно, що квантові точки – це наноструктури. Їх розмір часто становить менше 10 нанометрів, що приблизно становить 1/10,000 XNUMX розміру людської волосини. Ці мікроскопічні одиниці можуть мати важливі характеристики, такі як здатність випромінювати окремі фотони за потреби, що робить їх ідеальними для квантових застосувань.

Для збудження квантових точок інженери використовують метод оптичного збудження, що керується надшвидкими модулями активного перемикання поляризації. Ця дія створює багатофотонний стан, який робить ці пристрої основними компонентами найсучасніших медичних пристроїв візуалізації, мікроскопії, сонячних елементів наступного покоління, світлодіодів, лазерів, квантових комп'ютерів тощо.

Чому активне демультиплексування EOM обмежує масштабованість квантових ділянок

Одна з найбільших проблем квантових точок сьогодні полягає в тому, що кожна точка унікальна та випромінює дещо інший колір. Тому для забезпечення генерації багатьох фотонів необхідне використання високотехнологічних модулів. Ці пристрої складні та дорогі. Крім того, для їх експлуатації потрібні спеціалізовані інженери.

Ще одним обмежувальним фактором є апаратна продуктивність цих комутаторів. На сьогоднішній день усі комутатори були обмежені своїми фізичними конструктивними характеристиками. Пристрої мають максимальні швидкості перемикання, які з часом можуть знижуватися в міру старіння обладнання. Ці сценарії призвели до небажаних втрат продуктивності та неефективності.

Нове дослідження: Пасивні демультиплексовані двофотонні стани з однієї квантової точки

Вчені Інсбруцького університету працювали з командою інженерів з усього світу, щоб завершити дослідження «Пасивна демультиплексована генерація двофотонного стану з квантової точки».¹ опубліковано в науковому журналі npj Quantum Information цього місяця.

У статті описано метод пасивного демультиплексування квантових точок, який пропонує покращену продуктивність та стабільність порівняно з попередниками. Їхня робота демонструє більш стабільний, масштабований та ефективний метод створення високопродуктивних квантових точок, які можуть стати основою для найсучасніших технологій майбутнього.

Вимушене двофотонне збудження (сТФЗ): основна ідея

В основі роботи лежить оптичний метод, який називається стимульованим двофотонним збудженням. Цей процес дозволяє дослідникам диктувати квантовій точці, як саме і коли випромінювати світло, забезпечуючи збудження, обмежене лише терміном служби квантової точки, а не продуктивністю обладнання.

В рамках процесу збудження інженери точно налаштували лазерні імпульси для генерації потоків фотонів у різних станах поляризації. Примітно, що цей метод усуває потребу в додатковому обладнанні, такому як активні комутаційні компоненти.

Примітно, що цей підхід створює збудження безпосередньо з квантової точки без необхідності будь-яких активних перемикальних компонентів. Новий підхід поєднує формування лазерного імпульсу, генерацію пар імпульсів з урахуванням поляризації та кріогенний мікроскоп, щоб усунути багато технічних перешкод, що заважали попереднім спробам збудження квантовими точками.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Всередині установки: довжини хвиль, затримки та керування поляризацією

Першим кроком у процесі є ізоляція квантових точок. Після цього застосовується фемтосекундний титан-сапфіровий лазер імпульсами з резонансом 780.3 нм. Два формувачі імпульсів 4f починають спектральне формування квантових точок, переводячи їх у біекситоний стан та запускаючи випромінювання фотонів.

У рамках цього процесу поляризаційний роздільник променя (PBS) працює в тандемі зі спеціально розробленим генератором пар імпульсів для створення фотонів як з H-, так і з V-поляризацією. Примітно, що інженери використовували волоконно-оптичну затримку, детектори та інтерферометри, щоб забезпечити точне відстеження різниці в часі між станами.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Експериментальні результати: чистота, HBT та двофотонний вихід

Щоб перевірити свою концепцію, команда почала зі створення квантових точок. У статті описується, як зразок квантових точок GaAs/AlGaAs був вирощений за допомогою молекулярно-променевої епітаксії з локальним крапельним травленням як першою частиною фази тестування.

Після цього інженери провели кілька тестів для вимірювання продуктивності та якості квантових точок, включаючи реєстрацію чистоти окремих фотонів екситонних випромінювань. Ці тести проводилися за допомогою волоконного розщеплювача променя та чутливих скануючих пристроїв.

Вчені зробили точні нотатки, що описують якість двох незалежних, ортогонально поляризованих одиночних фотонів, отриманих у результаті дослідження. Цей крок вимагав від команди вимірювання кореляційної функції другого порядку точок.

Для виконання цього завдання інженери вирішили використати установку Ханбері-Брауна і Твісса (HBT). Цей тест був спеціально розроблений для вивчення статистики фотонів різних джерел світла.

Результати випробувань двостадійних квантових точок показують багатообіцяючу перспективу цієї технології. Команда встановила імпульс стимуляції приблизно через 6 пс після імпульсу TPE та показала, що швидкість перемикання обмежена часом життя екситона, а не апаратним забезпеченням EOM. Цей результат підтвердив переконання інженерів, що їхній новий метод обмежений лише часом життя квантових точок, а не можливостями апаратного перемикання.

Чому це важливо для КХД та багатофотонної інтерференції

Це дослідження має багато переваг для ринку. По-перше, воно відкриває шлях до глибшого розуміння квантових обчислень та їх можливостей. Це відкриття може допомогти стимулювати подальші інновації в квантовій оптиці, фізиці напівпровідників та фотонній інженерії.

Швидше: робота на частоті ГГц обмежена терміном служби екситона

Такий підхід створює придатні для використання квантові точки швидше, ніж традиційні методи, які вимагають спеціального перемикального обладнання для налаштування та точного налаштування. Ця стратегія безпосередньо збуджує квантові точки за допомогою лазерів, а не електроніки.

Дешевше: немає EOM, менші втрати та складність

Відмова від попереднього комутаційного обладнання також знижує загальні витрати на створення квантових точок. Розробка, експлуатація та обслуговування цих пристроїв збільшили загальні витрати на дослідження квантових комп'ютерів.

Застосування (квадратичне диференціальне моделювання, фотонний контроль якості) та реалістична часова шкала

Сьогодні існує кілька застосувань для квантових комп'ютерних точок з двома станами. Ці пристрої представляють собою крок вперед для квантових технологій. Цей процес може сприяти розвитку інновацій у кількох галузях промисловості та сприянню впровадженню цієї революційної технології.

Дослідження: Багатофотонна інтерференція та бенчмаркінг джерел

Одним із ключових застосувань цього дослідження є те, що воно сприятиме розвитку інновацій у секторі квантових обчислень. Ця остання розробка допоможе впровадити майбутні експерименти з багатофотонною інтерференцією, поглиблюючи розуміння вченими фундаментальних принципів, що лежать в основі квантової механіки.

Безпечний зв'язок: багатосторонній контроль якості зв'язку та мережа

Ще одним важливим застосуванням цієї технології є сектор зв'язку. Квантовий зв'язок обіцяє високий рівень безпеки, величезні можливості передачі даних та нижчі витрати. Ці надзахищені комунікаційні мережі можуть забезпечувати зв'язок майже в режимі реального часу з кількома джерелами одночасно.

Хронологія впровадження: від лабораторних демонстрацій до польових пілотних випробувань

Може пройти близько 10 років, перш ніж ця технологія стане доступною для широкої публіки. Квантові комп'ютери багато хто розглядає як природний розвиток обчислювальної техніки. Однак вони все ще дуже дорогі та потребують такого обладнання, як кріогенні камери, яке залишається недоступним для більшості людей.

Дослідники квантових точок з двома станами

Дослідження квантових точок у двох станах було проведено групою фотоніки на кафедрі експериментальної фізики Інсбруцького університету. У дослідженні також взяли участь представники Кембриджського університету, Лінського університету імені Йоганнеса Кеплера та інших установ.

Зокрема, Вікас Ремеш був провідним дослідником дослідження. Додаткову допомогу йому надали Грегор Вайс, Юсуф Карлі та Ікер Авіла Аренас. Фінансування дослідження надійшло від Австрійського наукового фонду (FWF), Австрійського агентства сприяння дослідженням (FFG) та дослідницьких програм Європейського Союзу.

Що далі: Сконструйовані точки з довільною лінійною поляризацією

Майбутнє квантових точок з двома станами не могло бути світлішим. Дослідження цієї технології прискорилися після успішного запуску комп'ютера Aurora цього року. Тепер ця команда прагнутиме створювати високопродуктивні інженерні точки з довільними лінійними станами поляризації.

Інвестування в квантові обчислення

У секторі квантових комп'ютерів є кілька лідерів галузі. Ці компанії продовжують вкладати мільйони в дослідження та розробки, сподіваючись зробити технологію доступнішою та ефективнішою в майбутньому. Ось одна компанія, яка продовжує впроваджувати інновації новими та захопливими способами.

Quantum Computing Inc

Компанія Quantum Computing Inc. з Вірджинії (QUBT ) вийшла на ринок у 2018 році з метою просування квантових технологій та їх впровадження. Компанія одразу ж отримала підтримку інвесторів, і у 2021 році була розміщена на NASDAQ. Сьогодні фірма є провідним постачальником апаратного та програмного забезпечення для квантових обчислень.

Компанія Quantum Computing Inc. наразі пропонує кілька рішень для квантових обчислень. Наприклад, система Qatalyst може виконувати складні фінансові та логістичні алгоритми, надаючи користувачам конкурентну перевагу. Компанія також пропонує доступ до свого фотонного комп'ютера Reservoir, який здатний розв'язувати найскладніші рівняння за допомогою світлових фотонів.

Останні новини та події щодо акцій Quantum Computing Inc. (QUBT)

Висновок про квантові точки з двома станами

Дослідження двостабних квантових точок демонструє, як спільні зусилля провідних наукових установ можуть допомогти вирішити деякі з найскладніших проблем світу. Квантові обчислення мають багато в чому змінити майбутнє, і ці інженери зробили свій внесок, щоб допомогти цим пристроям досягти нових рівнів продуктивності. З цих та багатьох інших причин ці вчені заслуговують на повагу.

Дізнайтеся про інші прориви в обчислювальній техніці тут.

Список використаної літератури:

^{1. Карлі Ю., Авіла Аренас І., Шимпф К. та інші Пасивна демультиплексована генерація двофотонних станів з квантової точки. npj Quantum Inf 11, 139 (2025). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0}