Materialele ultratanțe ar putea face circuitele fotonice cuantice programabile
Fotonica cuantică ar putea deveni o componentă esențială a viitoarei tehnologii cuantice, dacă vor fi create materialele potrivite, concluzionează un studiu de tip review publicat în Nature Photonics. Autorii consideră că o platformă fotonică programabilă ar putea permite dezvoltarea unor tehnologii precum rețelele neuronale cuantice și calculul cuantic distribuit.
Multe componente fotonice există deja și pot fi integrate pe un singur cip de siliciu. Provocarea constă în combinarea lor într-un mod care să poată fi manipulat eficient. Tehnologia actuală rămâne, în mare parte, fixă după fabricare.
Studiul a fost realizat de oameni de știință de la ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS), condus de directorul Dragomir Neshev.
„Sistemele fotonice cuantice programabile reprezintă o dezvoltare viitoare importantă pentru centru”, a declarat Neshev, care activează și în cadrul Departamentului de Ingineria Materialelor Electronice. „Am adus contribuții solide și este important să combinăm aceste puncte forte.”
Lucrarea este publicată în Nature Photonics, iar autorii săi sunt Igor Aharonovich de la University of Technology Sydney, Ken Crozier de la University of Melbourne și Neshev.
De la dispozitive fixe la circuite multifuncționale
Autorii anticipează o nouă generație de dispozitive cuantice programabile, în contrast cu dispozitivele răspândite care folosesc o proprietate cuantică statică, precum laserele și tranzistoarele. Această schimbare este cunoscută drept a doua revoluție cuantică.
Mai multe platforme tehnologice concurează pentru părți din viitoarea piață cuantică. Autorii subliniază că fotonica oferă avantaje, deoarece fotonii au decoerență scăzută și pot transporta informație codată în stări cuantice multidimensionale.
„Circuitele cuantice programabile vor juca un rol esențial în tranziția opticii cuantice de la demonstrații de concept la soluții tehnologice robuste pentru a doua revoluție cuantică”, au afirmat autorii. „Cu toate acestea, rămâne o verigă lipsă pentru obiectivul fotonicei cuantice programabile: multifuncționalitatea. Pentru multe aplicații este nevoie de un sistem care să îndeplinească multiple funcții, ceea ce necesită reconfigurarea simultană a mai multor componente. De exemplu, ar fi posibil să modificăm lungimea de undă a sursei, precum și polarizarea acesteia, și să direcționăm fotonii emiși către detectori diferiți?”
Acordarea surselor de lumină cuantică
Lucrarea acoperă elemente programabile cheie, începând cu sursele de lumină cuantică acordabile. Acestea trebuie să creeze fotoni încâlciți și să controleze structura luminii, ceea ce înseamnă controlul nu doar al frecvenței, ci și al amplitudinii, fazei și polarizării, permițând stări exotice precum vortexurile cuantice și fasciculele vectoriale. Astfel de stări ar crește semnificativ capacitățile circuitelor fotonice.
În timp ce cele mai răspândite surse actuale folosesc procese neliniare, precum conversia parametrică descendentă spontană, autorii consideră că sursele de fotoni unici au un potențial considerabil. În special, cristalele van der Waals pot fi acordate prin modificarea modului în care straturile lor constitutive sunt asamblate sau răsucite. Au fost dezvoltate sisteme mecanice microscopice alimentate electric care pot acorda aceste cristale și alte componente pe cip.
„Este remarcabil cât de mult control este posibil pur și simplu prin schimbarea modului în care aceste materiale ultratanțe sunt suprapuse”, a declarat Crozier. „Totuși, cristalele van der Waals nu concurează încă cu sursele actuale de vârf, de exemplu punctele cuantice și centrele de culoare, în ceea ce privește luminozitatea, puritatea fotonilor și coerența: este nevoie de mai multă muncă.”
În căutarea comutării mai rapide
Următorul element cheie este modularea dinamică a componentelor, un „bloc critic” pentru fotonica cuantică programabilă. Abordările tradiționale de manipulare a fazei și frecvenței sunt voluminoase, cu pierderi și lente la comutare. Deși există mai multe soluții care abordează aceste deficiențe, nicio platformă materială unică nu îndeplinește toate criteriile esențiale: cuplarea eficientă a energiei la intrare și la ieșire; comutare ultrarapidă, eficientă și cu consum redus de energie; și scalabilitate.
Autorii consideră că materialele 2D ar putea deveni, în cele din urmă, suficient de versatilede pentru a îndeplini toate aceste criterii.
„În esență, fiecare componentă a unui viitor circuit cuantic poate fi proiectată folosind componente din materiale 2D”, a declarat Aharonovich. „Materialele bidimensionale sunt puternice și au o multitudine de funcționalități. Ele permit ingineria benzii interzise, funcționalități optoelectronice și neliniare și surse de lumină cuantică. Aceste materiale noi, cu funcționalități impresionante de acordare, ar putea oferi un nou set de instrumente de control.”
