Der ePIC-Silizium-Quantenchip, der zu Testzwecken auf einer Leiterplatte montiert ist und einem Motherboard in einem Personalcomputer ähnelt. Bildnachweis: Universität Bristol
Forschern der Universität Bristol ist ein bedeutender Durchbruch bei der Skalierung der Quantentechnologie gelungen, indem sie den weltweit kleinsten Quantenlichtdetektor auf einem Siliziumchip integriert haben. Der Artikel „A Bi-CMOS Electronic Photonic Integrated Circuit Quantum Light Detector“ wurde in veröffentlicht Wissenschaftler machen Fortschritte.
Ein entscheidender Moment am Beginn des Informationszeitalters war, als es Wissenschaftlern und Ingenieuren in den 1960er Jahren erstmals gelang, Transistoren auf kostengünstigen Mikrochips zu miniaturisieren.
Jetzt haben Wissenschaftler der Universität Bristol erstmals die Integration eines Quantenlichtdetektors – kleiner als ein menschliches Haar – auf einem Siliziumchip demonstriert und uns damit dem Zeitalter der Quantentechnologien mit Licht näher gebracht.
Die Herstellung von Hochleistungselektronik und Photonik in großem Maßstab ist für die Verwirklichung der nächsten Generation fortschrittlicher Informationstechnologien von grundlegender Bedeutung. Zu verstehen, wie Quantentechnologien in bestehenden kommerziellen Einrichtungen geschaffen werden können, ist eine fortlaufende internationale Anstrengung, die von akademischer Forschung und Unternehmen auf der ganzen Welt in Angriff genommen wird.
Die Fähigkeit, leistungsstarke Quantenhardware im großen Maßstab herzustellen, könnte sich für das Quantencomputing als entscheidend erweisen, da für den Bau einer einzigen Maschine eine große Menge an Komponenten erforderlich ist.
Um dieses Ziel zu erreichen, demonstrierten Forscher der Universität Bristol eine Art Quantenlichtdetektor, der auf einem Chip mit einer Schaltung implementiert ist, die 80 Mikrometer mal 220 Mikrometer einnimmt.
Im Wesentlichen bedeutet die geringe Größe, dass der Quantenlichtdetektor schnell sein kann, was für die Ermöglichung der Hochgeschwindigkeits-Quantenkommunikation und den Hochgeschwindigkeitsbetrieb optischer Quantencomputer von entscheidender Bedeutung ist.
Der Einsatz etablierter und kommerziell zugänglicher Herstellungstechniken fördert die Aussichten für eine frühzeitige Integration in andere Technologien wie Sensorik und Kommunikation.
„Diese Art von Detektoren werden Homodyndetektoren genannt und kommen überall in Anwendungen der Quantenoptik vor“, erklärt Professor Jonathan Matthews, Forschungsleiter und Direktor der Quantum Engineering Technology Laboratories.
„Sie funktionieren bei Raumtemperatur und man kann sie für die Quantenkommunikation in unglaublich empfindlichen Sensoren wie hochmodernen Gravitationswellendetektoren verwenden, und es gibt Modelle von Quantencomputern, die diese Detektoren verwenden würden.“
Im Jahr 2021 zeigte das Bristol-Team, wie die Verknüpfung eines photonischen Chips mit einem separaten elektronischen Chip die Geschwindigkeit von Quantenlichtdetektoren erhöhen kann. Mit einem einzigen integrierten elektronisch-photonischen Chip konnte das Team die Geschwindigkeit nun um den Faktor 10 steigern und gleichzeitig den Platzbedarf reduzieren. um den Faktor 50.
Obwohl diese Detektoren schnell und klein sind, sind sie auch empfindlich.
„Der Schlüssel zur Messung von Quantenlicht ist die Empfindlichkeit gegenüber Quantenrauschen“, erklärt Autor Dr. Giacomo Ferranti.
„Die Quantenmechanik ist für einen winzigen und grundlegenden Rauschpegel in allen optischen Systemen verantwortlich. Das Verhalten dieses Rauschens gibt Aufschluss über die Art des Quantenlichts, das sich im System bewegt; es kann die Empfindlichkeit eines optischen Sensors bestimmen und das kann.“ zur mathematischen Rekonstruktion von Quantenzuständen verwendet werden. In unserer Studie war es wichtig zu zeigen, dass die Verkleinerung und Geschwindigkeit des Detektors seine Empfindlichkeit für die Messung von Quantenzuständen nicht beeinträchtigt.
Die Autoren weisen darauf hin, dass noch weitere spannende Forschungsarbeiten zur Integration anderer bahnbrechender Quantentechnologie-Hardware bis hin zur Chip-Größe erforderlich sind. Mit dem neuen Detektor muss die Effizienz verbessert werden und es muss mehr Arbeit geleistet werden, um den Detektor in vielen verschiedenen Anwendungen zu testen.
Professor Matthews fügte hinzu: „Wir haben den Detektor mit einer kommerziell erhältlichen Gießerei gebaut, um seine Anwendungen zugänglicher zu machen.“ Obwohl wir von den Auswirkungen einer Reihe von Quantentechnologien unglaublich begeistert sind, ist es wichtig, dass wir uns als Gemeinschaft weiterhin mit dem Problem befassen. Herausforderung der skalierbaren Fertigung der Quantentechnologie.
„Ohne den Nachweis einer wirklich skalierbaren Herstellung von Quantenhardware werden die Auswirkungen und Vorteile der Quantentechnologie verzögert und begrenzt sein.“
Mehr Informationen:
Joel Tasker et al., Ein elektronisch-photonischer Bi-CMOS-Quantenlichtdetektor mit integrierter Schaltung, Wissenschaftler machen Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk6890. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6890
Bereitgestellt von der University of Bristol
Zitat: Forscher entwickeln den weltweit kleinsten Quantenlichtdetektor auf einem Siliziumchip (17. Mai 2024), abgerufen am 18. Mai 2024 von https://phys.org/news/2024-05-world-smallest-quantum-detector -silicon.html
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