KTH-forskare ett steg närmare att möjliggöra integrerade kvantoptiska kretsar

NYHET

Publicerad 2017-08-30

En grupp forskare inom kvantnanofotonik på KTH har tagit fram en ny metod som innebär ett betydande steg på vägen mot att möjliggöra kvantdataberäkningar på ett enda chipp. Gruppen har lyckats skapa byggstenarna för ett sådant system genom att integrera konstgjorda atomer (kvantprickar) i kiselbaserade fotoniska chipp. De har genererat och filtrerat enstaka fotoner på ett chipp utan att använda några externa komponenter. Resultaten presenteras i en artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.

Kvantdatorer och kvantnätverk beräknas kunna överträffa dagens klassiska datorer och nätverk, som kodar information i binära bitar. Istället för bitar som består av ettor och nollor kan kvantbitar samtidigt inta en superposition som motsvarar båda värdena. Det innebär att de kan processa avsevärt större mängder information med färre beräkningssteg. Tänkbara användningsområden är exempelvis energieffektiva databeräkningar och säker kommunikation.

Men det är många problem som behöver lösas för att kunna för att kunna utveckla effektiva integrerade kvantkretsar. Forskargruppen Quantum Nano Photonics på KTH, som leds av professor Val Zwiller och Klaus D. Jöns, har övervunnit många av dessa utmaningar i det arbete som presenteras i artikeln i Nature Communications, enligt KTH-forskaren Ali Elshaari, en av medförfattarna.

Tidigare har det varit extremt svårt att isolera kvantprickar och placera dem i en användbar krets, eftersom de uppstår slumpmässigt utan att man har kontroll över deras egenskaper och deras position i kretsen. Dessutom är det svårt att generera enstaka fotoner på ett chipp utan att använda extern filtrering för att för att ta bort alla oönskade signaler från kvantemitterarna (källor som avger enstaka fotoner varje gång den skickar kvantenergi), konstaterar Ali Elshaari.

Forskargruppen har använt en ny nanomanipuleringsteknik för att överför utvalda, förkategoriserade, enstaka fotonemitterare i nanotrådar till ett kiselbaserat chipp. Därefter har de byggt en integrerad optisk krets där man filtrerar enstaka fotoner och multiplexar dem. Det senare innebär att man använder multipla kvantprickar för att generera ljus i olika ”färger” som kan användas för att koda olika information på samma chipp, förklarar Ali Elshaari.

– För att kunna åstadkomma en fungerande kvantoptisk krets måste man bygga dess komponenter deterministiskt. Det innebär att varje komponent i kretsen är noga utformad och optimerad för att utföra en specifik uppgift. Till skillnad från tidigare tillvägagångssätt finns det inget utrymme för slumpmässighet när det gäller källans egenskaper eller dess placering i den optiska kretsen, säger Ali Elshaari.

Ett av de nya resultaten av forskargruppens arbete är att de har utvecklat en hybridmetod där man kombinerar två halvledarteknologier: III-V-halvledare i form av nanotrådsbaserade kvantemitterare och kiselteknologi i form av den integrerade optiska kretsen. 

– Hybridintegrering med nanotrådar har inte gjorts tidigare. Resultaten är ett mycket viktigt steg mot att göra det möjligt att processa kvantinformation på ett chipp, säger Ali Elshaari.

Artikeln "On-chip singel photon filtrering and multiplexing in hybrid quantum photonic Circuits" publiceras 30 augusti i Nature Communications.

Förutom redan nämnda forskare har även Esmaeil Zadeh från TU Delft bidragit till den vetenskapliga artikeln och forskningsarbetet.

Text: Håkan Soold/David Callahan

För mer information, kontakta Val Zwiller på zwiller@kth.se eller Ali Elshaari på elshaari@kth.se.

Taggad som: ,
Till sidans topp