Від експериментів до практики. Надшвидкі фотонні чипи наблизили створення масштабних квантових комп’ютерів

Німецькі науковці зробили крок до нового покоління квантових технологій, створивши надшвидкий оптичний фазовий модулятор із майже нульовими втратами світла. Розробка може допомогти перейти від лабораторних експериментів до практичних і масштабних квантових фотонних систем.

Про це повідомляє видання Interesting Engineering.

Дослідники з Університету Юліуса Максиміліана у Вюрцбурзі працювали над однією з головних проблем квантових обчислень — як керувати квантовим світлом, не пошкоджуючи крихку інформацію, яку воно несе. Для цього вони створили чип, що поєднує фероелектричний титанат барію з так званою фотонікою III-V — платформою, яку широко використовують для генерації квантового світла безпосередньо на чипах.

Проєкт очолив професор Андреас Пфеннінг, керівник дослідницької групи Ferro35 при кафедрі фізики університету. Роботи профінансували більш ніж на 7,7 мільйона доларів США (6,6 мільйона євро) коштом Федерального міністерства досліджень, технологій і космосу Німеччини.

У звичайних волоконно-оптичних мережах фазові модулятори — це стандартні компоненти, які кодують інформацію, змінюючи фазу світла на дуже високих швидкостях. Але для квантових технологій вимоги значно жорсткіші: навіть мінімальні втрати світла або зайвий шум можуть зруйнувати квантовий стан. Пфеннінг пояснив, що для складних квантових схем потрібні компоненти, які одночасно працюють дуже швидко й мають надзвичайно малі оптичні втрати, а такої комбінації досі не існувало.

Щоб розв’язати цю проблему, команда інтегрувала титанат барію — матеріал із вираженими електрооптичними властивостями — у фотонні платформи III-V. Для збереження потрібної чистоти матеріалу вчені самі вирощували кристали у своїй лабораторії. Цей процес, відомий як молекулярно-променева епітаксія, є одним із найточніших методів створення тонких плівок у матеріалознавстві. За словами Пфеннінга, навіть найменші домішки можуть змінити властивості фероелектричних кристалів, тому потрібне винятково чисте середовище.

Роботи проводили в надчистих вакуумних приміщеннях Лабораторії нанотехнологій імені Ґотфріда Ландвера. Наразі там встановлюють додаткову систему, спеціально призначену для досліджень групи Ferro35.

Окрім фазового модулятора, команда створює повний набір елементів для фотонних квантових схем: хвилеводи, з'єднувачі та інтегровані джерела квантового світла. Кожен компонент спочатку моделюють, потім виготовляють і тестують. Пфеннінг порівняв цей підхід зі складанням конструктора: коли потрібні елементи розміщують у правильних місцях, поступово формується працездатна схема.

Такий модульний підхід дозволяє швидко перевіряти розроблені схеми на практиці й також використовується для навчання студентів, які можуть проєктувати та тестувати квантові фотонні рішення в умовах, близьких до реальних досліджень.

Хоча повністю масштабні квантові комп’ютери залишаються справою майбутніх років, нова технологія може знайти застосування вже найближчим часом. Надшвидкі модулятори з низькими втратами потрібні для сучасних телекомунікацій і обробки оптичних сигналів. Пфеннінг зазначив, що такі рішення мають великий інтерес і для галузі зв’язку та можуть дати їй новий поштовх.