量子信息科学确实令人着迷——成对的微小粒子可以纠缠在一起,即使它们在物理上分离,对其中任何一个的操作都会影响它们。一种看似神奇的过程,称为隐形传态,可以在不同的遥远量子系统之间共享信息。

研究人员首次在集成碳化硅中开发出纠缠光子对

这些不同的系统可以使用量子过程耦合以形成量子通信网络。安全通信、分布式量子计算和量子传感只是一些显着的潜在应用。

经过三十多年的量子 2.0(量子研发时期,涵盖量子设备、系统和协议的开发以生成和使用量子纠缠),绝大多数实验需要庞大的光学器件和专门的对准方案,通常涵盖大型专用光学器件气动浮动的桌子以避免最微小的机械振动。

就像微型硅集成电子器件使计算机处理器从电容器、管子和磁铁的大型房间规模组件发展到包含数以百万计的组件的微小但功能强大的微芯片一样,我们的现代和“智能”技术正是基于这些组件;量子组件和过程需要使用集成光学进行小型化,为量子信息科学的大规模部署和使用铺平道路,超越实验室规模的实验并走向现实生活。

碳化硅 (SiC) 是集成工艺的领先平台,近年来因其在电动汽车等绿色技术集成电子系统中的使用而得到推动。该应用显着提高了 SiC 晶圆的质量,而 SiC 晶圆是创建集成器件的基本格式。

在量子科学领域,SiC 已成为集成量子光子学 (IQP) 的一种有前途的材料,克服了硅等其他材料中出现的可扩展性问题。 SiC 的独特特性使其成为集成量子光学工艺的理想选择,但在充分发挥其潜力方面仍然存在挑战。最近在碳化硅微芯片上产生纠缠光子的突破标志着释放其实际量子应用能力的重要一步。

在《光:科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中,马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所 (NIST) 和宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学的科学家报告了芯片级纠缠光子的首次演示来源为 SiC。

该器件通过称为自发四波混频 (SFWM) 的高阶非线性过程实现,使用在绝缘体上 4H-SiC 平台上图案化的集成光学微环谐振器。

实验设计成光子对(信号光和闲置光)处于电信波长,非常适合在光纤中传输(这对于量子通信和量子网络非常重要),并且以时间和能量纠缠的方式产生(称为时间-能量纠缠)。研究人员报告称,他们产生了高质量、高纯度的纠缠光子对。

这些研究人员总结了新器件的特点,指出“我们的结果,包括片上光子对速率为 (9 ± 1) × 10 3对/秒以及泵浦功率为(9 ± 1) × 10 3 对/秒时,最大巧合与意外比 > 600 0.17 mW,预期的 ??? (2) (0) 约为 10 -3,并且双光子干涉条纹的可见度超过 99%,明确表明基于 SiC 的集成器件可以用于芯片级此外,这些结果与从更成熟的集成光子平台(例如硅)获得的结果相当。”

“我们相信,我们的研究为量子应用中 4H-SiC-on-insulator 平台的竞争力提供了强有力的支持。例如,所演示的纠缠光子源可以轻松部署在用于量子通信的光纤网络中。

“此外,通过将闲频光子的波长与 SiC 中发现的各种色心的零声子线对齐,我们可以在信号光子和自旋态之间产生纠缠。这种波长对齐过程也可以集成和实现通过芯片级色散工程或频率转换,”他们补充道。

基于 SiC 的集成光学器件的未来无疑是光明的,正如研究人员所言:“所有这些可能性都表明,基于 SiC 的量子光子学有着光明的未来,因为它能够将大量具有色心的芯片级量子光子和电学过程集成到各种应用中。”