Прорыв в квантовой технологии. Ученые сумели внедрить датчик света в кремниевый чип
Эта инновация приближает нас к новой эпохе квантовых технологий, использующих свет.
Результаты работы были опубликованы в журнале Science Advances в статье под названием «Би-КМОП электронная фотонная интегральная схема квантового детектора света».
Подобно тому, как в 1960-х годах ученые и инженеры смогли вживить транзисторы в микрочипы, ставшие основой информационной эпохи, бристольские ученые впервые интегрировали квантовый детектор света размером меньше человеческого волоса в кремниевый чип. Этот прорыв является важным шагом к масштабированию квантовых технологий.
Масштабное производство высокопроизводительной электроники и фотоники является ключевым для создания следующего поколения информационных технологий. Ученые по всему миру ищут способы создания квантовых технологий на существующих коммерческих объектах. Критическим фактором для квантовых вычислений является создание высокопроизводительного квантового оборудования в больших масштабах, поскольку для создания одной машины потребуется огромное количество компонентов.
Исследователи из Бристольского университета продемонстрировали квантовый детектор света, реализованный на чипе размером 80 на 220 микрометров. Этот небольшой размер позволяет детектору быть быстрым, что является ключевым для высокоскоростной квантовой связи и оптических квантовых компьютеров.
Использование устоявшихся и коммерчески доступных технологий производства открывает перспективы для раннего внедрения в другие технологии, такие как зондирование и связь. «Такие детекторы называются гомодинными детекторами и они появляются повсюду в приложениях квантовой оптики», — объясняет профессор Джонатан Мэтьюз, руководитель исследования и директор лаборатории квантовой инженерии.
«Они работают при комнатной температуре и могут использоваться для квантовой связи в невероятно чувствительных датчиках, таких как современные детекторы гравитационных волн, и в конструкциях квантовых компьютеров, которые будут использовать эти детекторы», — добавил он.
В 2021 году команда из Бристоля показала, как объединение фотонного чипа с отдельным электронным чипом может увеличить скорость детекторов квантового света. Теперь, благодаря интеграции электронно-фотонного чипа, команда увеличила скорость в 10 раз, одновременно уменьшив занимаемую площадь в 50 раз.
Несмотря на свои размеры и скорость, эти детекторы остаются очень чувствительными. «Ключом к измерению квантового света является чувствительность к квантовому шуму», — поясняет доктор Джакомо Ферранти, автор исследования. Квантовая механика определяет минимальный уровень шума в оптических системах, а измерение этого шума позволяет определить характеристики квантового света, чувствительность оптического датчика и реконструировать квантовые состояния.
Авторы подчеркивают необходимость дальнейших исследований по интеграции других революционных аппаратных средств квантовых технологий. Необходимо повысить эффективность нового детектора и протестировать его в различных приложениях.
«Мы построили детектор на коммерчески доступном литейном заводе, чтобы сделать его применение более доступным, — добавил профессор Мэтьюз. — Хотя мы воодушевлены перспективами для различных квантовых технологий, важно продолжать работать над масштабируемым производством квантового оборудования. Без этого демонстрация по-настоящему масштабируемого производства и преимуществ квантовых технологий будет ограничена».
