Интегрированная фотонная платформа с генерацией и верификацией запутанности на высоких скоростях

Световые чипы и квантовые связи

Современным сетям передачи данных и будущим квантовым компьютерам нужны компактные, быстрые и надёжные устройства для обработки света. В этой работе показано, как кремниевый чип — изготовленный с использованием технологий, схожих с теми, что применяются в бытовой электронике — может не только генерировать хрупкие квантовые связи между частицами света, известные как запутанность, но и проверять их присутствие, причём всё это на очень высоких скоростях и при комнатной температуре. Такое сочетание может существенно упростить создание практичных квантовых устройств для связи, сенсоров и генерации случайных чисел.

Почему важна квантовая запутанность

Запутанность — это необычная связь между частицами, лежащая в основе многих предложенных квантовых технологий. Она позволяет удалённым устройствам разделять корреляции, которые невозможно объяснить классической физикой, и может применяться для защиты сообщений, ускорения некоторых вычислительных задач и повышения точности измерений. Реализация всего этого на интегрированном чипе привлекательна тем, что обещает меньший размер, более низкую стоимость и простоту масштабирования, но требует серьёзного решения инженерных задач. Разные материалы лучше подходят для разных функций — одни удобнее для генерации запутанного света, другие — для его детектирования — и объединить их на одной платформе без потери эффективности непросто.

Квантовая оптика на кремнии

Авторы строят весь эксперимент вокруг кремниевого фотонного чипа, изготовленного в коммерческом литейном процессе. Обычный лазер подаёт свет на чип, где встроенные модуляторы сначала формируют импульсы, а затем ослабляют их до уровня почти одиночных фотонов. Эти почти одиночные импульсы направляются в крошечный встроенный светоделитель, который направляет каждый фотон сразу по двум путям, создавая «разделённый» фотон между двумя выходами. Чтобы это работало с доступным лазерным светом вместо идеальных источников одиночных фотонов, команда использует стратегию из квантовой криптографии, называемую методом приманок: они перемешивают импульсы нескольких тщательно подобранных уровней яркости, чтобы при последующей обработке можно было надёжно выделить поведение истинного одиночного фотонного компонента.

Прослушивание квантовых сигналов в шумной среде

Детектирование таких хрупких квантовых связей столь же сложно, как и их создание. Вместо специализированных счётчиков одиночных фотонов, которые часто требуют криогенного охлаждения, чип использует более обычный способ измерения — балансированное гомодинное детектирование, основанное на быстрых фотодиодах и электронных усилителях, работающих при комнатной температуре. Каждый выходной путь от светоделителя встречается с сильным опорным пучком на чипе, и крошечные различия между двумя пучками несут квантовую информацию. Однако реальные детекторы теряют часть света и вносят электронный шум. Авторы предлагают хитрый анализ «эквивалентных потерь»: они математически трактуют все несовершенства как дополнительное ослабление на источнике и затем концептуально повышают входную яркость для компенсации. После такой перекалибровки квантовое состояние можно анализировать так, будто детекторы идеальны, хотя аппаратная часть таковой не является.

Проверка квантовой связи

Чтобы показать наличие истинной запутанности, исследователи восстанавливают квантовое состояние и выполняют известный тест неклассического поведения — тест Белла. Настраивая фазы опорных пучков и наблюдая, как измеренные сигналы меняются совместно, они строят детализированную картину совместного состояния двух оптических путей. Их анализ показывает, что полученное состояние соответствует идеальному запутанному одиночно-фотонному состоянию с приблизительно 92% фиделити. При проведении теста Белла полученное значение явно превышает максимум, допустимый любой классической теорией с локальными скрытыми переменными, даже с учётом использования практичных источников света и шумных высокоскоростных детекторов на том же чипе.

Что это значит для будущих устройств

Работа демонстрирует, что кремниевый фотонный чип способен генерировать, манипулировать и подтверждать квантовую запутанность с частотами отбора проб в несколько гигагерц при работе при комнатной температуре, используя компоненты, совместимые со стандартным полупроводниковым производством. Хотя схема опирается на ряд разумных модельных допущений и пока не подходит для защищённой связи на большие расстояния, она указывает путь, по которому сложные квантово-оптические системы — например, встроенные генераторы квантовых случайных чисел или испытательные стенды для квантовой обработки информации — могут быть построены как компактные, масштабируемые и относительно недорогие устройства. По мере появления встроенных лазеров и других недостающих элементов такие платформы могут стать ключевыми строительными блоками практичных квантовых технологий.

Цитирование: Gong Zhang, Chao Wang, Koon Tong Goh, Si Qi Ng, Raymond Ho, Henry Semenenko, Srinivasan Ashwyn Srinivasan, Haibo Wang, Yue Chen, Jing Yan Haw, Xiao Gong, Joris Van Campenhout, and Charles Lim, "Integrated photonic platform with high-speed entanglement generation and witnessing," Optica 12, 1737-1746 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.557199

Ключевые слова: кремниевая фотоника, квантовая запутанность, интегрированная квантовая оптика, гомодинное детектирование, генерация квантовых случайных чисел