Forskare vid University of Bristol har gjort ett viktigt genombrott i utvecklingen av kvantteknologi genom att integrera världens minsta kvantljusdetektor på ett kiselchip. Artikeln, ”A Bi-CMOS electronic photonic integrated circuit quantum light detector”, publicerades i Science Advances.
Ett kritiskt ögonblick för att låsa upp informationsåldern var när forskare och ingenjörer först kunde miniatyrisera transistorer på billiga mikrochip på 1960-talet.
Nu har akademiker från University of Bristol för första gången visat att en kvantljusdetektor – mindre än ett människohår – kan integreras på ett kiselchip, vilket innebär att vi kommer ett steg närmare en tidsålder med kvantteknik som använder ljus.
Att tillverka högpresterande elektronik och fotonik i stor skala är grundläggande för att förverkliga nästa generations avancerade informationsteknik. Att ta reda på hur man kan tillverka kvantteknik i befintliga kommersiella anläggningar är ett pågående internationellt arbete som bedrivs av universitetsforskare och företag över hela världen.
Det kan visa sig vara avgörande för kvantdatorer att kunna tillverka högpresterande kvanthårdvara i stor skala på grund av den stora mängd komponenter som krävs för att bygga en enda maskin.
I strävan efter detta mål har forskare vid University of Bristol demonstrerat en typ av kvantljusdetektor som är implementerad på ett chip med en krets som upptar 80 mikrometer gånger 220 mikrometer.
Den lilla storleken innebär att kvantljusdetektorn kan vara snabb, vilket är avgörande för att möjliggöra höghastighets kvantkommunikation och höghastighetsdrift av optiska kvantdatorer.
Genom att använda etablerade och kommersiellt tillgängliga tillverkningstekniker ökar förutsättningarna för att tidigt kunna integreras i andra tekniker, t.ex. sensorer och kommunikation.
”Den här typen av detektorer kallas homodyndetektorer, och de dyker upp överallt i tillämpningar inom kvantoptik”, förklarar professor Jonathan Matthews, som ledde forskningen och är chef för Quantum Engineering Technology Labs.
”De fungerar vid rumstemperatur och kan användas för kvantkommunikation, i otroligt känsliga sensorer – som de toppmoderna gravitationsvågsdetektorerna – och det finns kvantdatorer som skulle använda dessa detektorer.”
År 2021 visade Bristol-teamet hur man genom att koppla ihop ett fotonikchip med ett separat elektronikchip kan öka hastigheten hos kvantljusdetektorer – nu har teamet med ett enda integrerat chip för elektronik och fotonik ytterligare ökat hastigheten med en faktor 10 samtidigt som fotavtrycket har minskat med en faktor 50.
Även om dessa detektorer är snabba och små är de också känsliga.
”Nyckeln till att mäta kvantljus är känsligheten för kvantbrus”, förklarar författaren Dr. Giacomo Ferranti.
”Kvantmekaniken är ansvarig för en mycket liten, grundläggande nivå av brus i alla optiska system. Hur detta brus beter sig avslöjar information om vilken typ av kvantljus som färdas i systemet, det kan avgöra hur känslig en optisk sensor kan vara och det kan användas för att matematiskt rekonstruera kvanttillstånd. I vår studie var det viktigt att visa att detektorns känslighet för mätning av kvanttillstånd inte försämrades av att den gjordes mindre och snabbare.”
Författarna konstaterar att det finns mer spännande forskning att göra när det gäller att integrera annan omvälvande kvantteknisk hårdvara ner till chipskalan. Med den nya detektorn måste effektiviteten förbättras, och det återstår arbete med att testa detektorn i många olika tillämpningar.
Professor Matthews tillade: ”Vi byggde detektorn med ett kommersiellt tillgängligt gjuteri för att göra dess tillämpningar mer lättillgängliga. Även om vi är otroligt glada över konsekvenserna för en rad olika kvantteknologier är det viktigt att vi som samhälle fortsätter att ta itu med utmaningen med skalbar tillverkning av kvantteknologi.
”Utan demonstration av verkligt skalbar tillverkning av kvanthårdvara kommer effekterna och fördelarna med kvanttekniken att försenas och begränsas.”
Ytterligare information: Joel Tasker et al, A Bi-CMOS electronic-photonic integrated circuit quantum light detector, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk6890. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6890
