Integrerad fotonisk plattform med höghastighetsgenerering och vittnesbörd av intrassling

Lichtchip och kvantkopplingar

Dagens datanät och framtida kvantdatorer behöver båda små, snabba och tillförlitliga enheter för att hantera ljus. Denna artikel visar hur en kiselskalig krets — tillverkad med teknik liknande den i vardagselektronik — inte bara kan generera känsliga kvantkopplingar mellan ljuspartiklar, så kallad intrassling, utan också verifiera att dessa kopplingar verkligen finns, allt vid mycket höga hastigheter och i rumstemperatur. Denna kombination kan göra det avsevärt enklare att bygga praktiska kvantenheter för kommunikation, sensorer och generering av slump.

Varför kvantkopplingar är viktiga

Intrassling är en märklig koppling mellan partiklar som ligger till grund för många föreslagna kvantteknologier. Den låter avlägsna enheter dela korrelationer som inte kan förklaras med vanlig fysik och kan användas för att säkra meddelanden, snabba upp vissa beräkningar och förbättra mätningar. Att utföra allt detta på en integrerad krets är attraktivt eftersom det lovar mindre storlek, lägre kostnad och enklare skalning, men det är tekniskt utmanande. Olika material är bra för olika uppgifter — vissa är bättre på att skapa intrasslat ljus, andra på att detektera det — och att föra samman dem på en plattform utan att offra prestanda är en stor ingenjörsutmaning.

Att lägga kvantoptik på kisel

Författarna bygger hela sitt experiment kring en kiselfotonisk krets tillverkad i en kommersiell foundry-process. En vanlig laser skickar ljus in i kretsen, där on-chip-modulatorer först formar det till pulser och sedan dämpar det till nästan enkel-fotonnivå. Dessa nästan-enkel-fotonpulser skickas in i en liten on-chip-halvgenomskinlig spegel (beam splitter), som dirigerar varje foton i två banor samtidigt och därigenom skapar en ”delad” foton mellan två utgångar. För att få detta att fungera med lättillgängligt laserljus istället för idealiska enkel-fotonkällor använder teamet en strategi från kvantkryptering kallad decoy-state-metoden: de blandar pulser med flera noggrant valda ljusstyrkenivåer så att de i efterbearbetningen kan extrahera beteendet hos den sanna enkel-fotonkomponenten på ett tillförlitligt sätt.

Lyssna på kvantsignaler i en brusig värld

Att detektera sådana sköra kvantkopplingar är lika svårt som att skapa dem. Istället för att använda specialiserade enkel-fotondetektorer som ofta kräver kryogenisk nedkylning använder kretsen en mer konventionell mätningsmetod kallad balanserad homodynmätning, som förlitar sig på snabba fotodioder och elektroniska förstärkare som fungerar i rumstemperatur. Varje utgångsbana från beam splittern möter en stark referensstråle på kretsen, och de små skillnaderna mellan de två strålarna bär den kvantinformation som finns. Men verkliga detektorer förlorar en del ljus och tillför elektroniskt brus. Författarna introducerar en smart "förlust-ekvivalent" analys: de behandlar matematiskt alla imperfektioner som om de vore extra dämpning i källan, och höjer konceptuellt ingångsljusstyrkan för att kompensera. Med denna omkalibrering kan det kvanttillståndet analyseras som om detektorerna vore idealiska, trots att hårdvaran inte är det.

Test av den kvantkopplingen

För att visa att verklig intrassling förekommer rekonstruerar forskarna det kvantmekaniska tillståndet och utför ett välkänt test av icke-klassiskt beteende kallat ett Bell-test. Genom att justera faserna hos referensstrålarna och se hur de uppmätta signalerna varierar tillsammans bygger de upp en detaljerad bild av det delade tillståndet i de två ljusbanorna. Deras analys visar att det producerade tillståndet matchar ett idealiskt enkel-foton-intrasslat tillstånd med ungefär 92 % fidelitet. När de tillämpar Bell-testet får de ett värde som tydligt överstiger den maximala gränsen som någon klassisk teori baserad på lokala dolda variabler tillåter, även efter att ha tagit hänsyn till användningen av praktiska ljuskällor och brusiga, höghastighetsdetektorer på samma krets.

Vad detta betyder för framtida enheter

Arbetet visar att en kiselfotonisk krets kan generera, manipulera och verifiera kvantintrassling vid multigigahertz-provtagningstakter samtidigt som den arbetar i rumstemperatur, allt med komponenter som är kompatibla med standardiserad halvledartillverkning. Även om schemat bygger på vissa rimliga modelleringsantaganden och ännu inte är lämpligt för långdistans säker kommunikation, pekar det mot en väg där komplexa kvantoptiska system — som integrerade kvant-sluppgeneratorer eller testbäddar för kvantinformation — kan byggas som kompakta, skalbara och relativt kostnadseffektiva enheter. När on-chip-lasrar och andra saknade komponenter läggs till kan sådana plattformar bli kärnkomponenter i praktiska kvantteknologier.

Citering: 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

Nyckelord: kisel-fotonik, kvantintrassling, integrerad kvantoptik, homodynmätning, kvantslumpgenerering