Προγραμματιζόμενες κβαντικές καταστάσεις του κάδου συχνότητας σε μια νανο-μηχανική συσκευή πυριτίου

Τα φωτόνια χρησιμεύουν ως εξαιρετικοί φορείς κβαντικών πληροφοριών. Έχουν μεγάλους χρόνους συνοχής σε θερμοκρασία δωματίου και αποτελούν την αναπόφευκτη επιλογή για τη μετάδοση κβαντικών πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις, είτε σε ελεύθερο χώρο είτε μέσω του δικτύου οπτικών ινών. Η εκκίνηση της κβαντικής κατάστασης είναι μια ιδιαίτερα σημαντική εργασία για τα φωτονικά qubit, καθώς η προσαρμογή της εμπλοκής μετά την εκπομπή δεν είναι τετριμμένη. Οι στρατηγικές αρχικοποίησης εξαρτώνται από τον βαθμό ελευθερίας που χρησιμοποιείται για την κωδικοποίηση κβαντικών πληροφοριών και η πιο κοινή επιλογή για κβαντική επικοινωνία μέσω οπτικών καναλιών είναι η κωδικοποίηση time-bin¹. Εδώ, τα επίπεδα δύο qubit αποτελούνται από το ότι το φωτόνιο βρίσκεται σε ένα από τα παράθυρα δύο χρόνου, που γενικά χωρίζονται από μερικά νανοδευτερόλεπτα. Η κωδικοποίηση Time-bin είναι εξαιρετικά ανθεκτική στις διακυμάνσεις φάσης που προκύπτουν από θερμικό θόρυβο στις οπτικές ίνες, με τα qubits να διατηρούν τη συνοχή τους ακόμη και σε εκατοντάδες χιλιόμετρα^2,3. Ωστόσο, ο έλεγχος της κατάστασης στην οποία παράγονται τα φωτόνια που μπερδεύονται με τον κάδο χρόνου είναι δύσκολος και μη πρακτικός στις αναδυόμενες νανο-φωτονικές πλατφόρμες. Για τον χειρισμό καταστάσεων qubit στο τσιπ, η κωδικοποίηση dual-rail, στην οποία οι δύο καταστάσεις ενός qubit αντιστοιχούν στο φωτόνιο που διαδίδεται σε έναν από τους δύο οπτικούς κυματοδηγούς, είναι μια ανώτερη στρατηγική^4,5 και είναι επομένως μια κοινή επιλογή για κβαντικούς υπολογιστές και κβαντική προσομοίωση σε ολοκληρωμένες πλατφόρμες. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δεν είναι εύκολα συμβατή με ζεύξεις μετάδοσης μεγάλων αποστάσεων που χρησιμοποιούν είτε οπτικές ίνες είτε κανάλια ελεύθερου χώρου.

Πρόσφατα, η κωδικοποίηση συχνοτήτων έχει προταθεί και αποδειχθεί πειραματικά, ως μια ελκυστική στρατηγική που μπορεί να συνδυάσει τα καλύτερα χαρακτηριστικά κωδικοποιήσεων time-bin και dual-rail^{6,7,8,9,10,11}. Σε αυτή την προσέγγιση, οι κβαντικές πληροφορίες κωδικοποιούνται από το φωτόνιο που βρίσκεται σε μια υπέρθεση διαφορετικών ζωνών συχνοτήτων. Οι κάδοι συχνότητας μπορούν να χειριστούν χρησιμοποιώντας διαμορφωτές φάσης και είναι ανθεκτικοί στο θόρυβο φάσης στη διάδοση σε μεγάλες αποστάσεις. Πρωτοποριακές μελέτες έχουν διερευνήσει τη δημιουργία και τον χειρισμό φωτονίων που εμπλέκονται με κάδο συχνότητας σε ολοκληρωμένους συντονιστές. Έχουν εξετάσει την τομογραφία κβαντικής κατάστασης εμπλεκόμενων ζευγών φωτονίων¹², κωδικοποίηση qudit¹³και εμπλεκόμενες καταστάσεις πολλαπλών φωτονίων¹⁴. Τα πειραματικά αποτελέσματα ήταν όλα επιτεύξιμα χάρη στην πρόσφατη ανάπτυξη ολοκληρωμένων συντονιστών υψηλής Q στις πλατφόρμες νιτριδίου του πυριτίου και οξυνιτριδίου του πυριτίου.

Παρά όλη αυτή την πρόοδο, ορισμένα εμπόδια πρέπει να ξεπεραστούν για να αξιοποιηθεί πλήρως το πλεονέκτημα της φωτονικής ολοκλήρωσης. Στην κωδικοποίηση του κάδου συχνοτήτων σήμερα, η δημιουργία ζευγών φωτονίων λαμβάνει χώρα μέσω αυθόρμητης ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων σε συντονιστή ενός δακτυλίου, με την επιθυμητή κατάσταση να επιτυγχάνεται εκτός του τσιπ, χρησιμοποιώντας ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές και/ή διαμορφωτές παλμών. Και δεδομένου ότι οι εμπορικοί διαμορφωτές έχουν περιορισμένο εύρος ζώνης, το εύρος συχνοτήτων που χωρίζει τα φωτόνια δεν μπορεί να υπερβαίνει μερικές δεκάδες gigahertz, γεγονός που θέτει ένα όριο στη μέγιστη ελεύθερη φασματική περιοχή του συντονιστή. Τέλος, επειδή η απόδοση της αυθόρμητης ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων κλιμακώνεται τετραγωνικά με το φασματικό εύρος χωρίς συντονιστή¹⁵, υπάρχει επίσης μια σημαντική αντιστάθμιση μεταξύ του ρυθμού παραγωγής και του αριθμού των προσβάσιμων κάδων συχνοτήτων.

Σε αυτή την εργασία, δείχνουμε ότι αυτοί οι περιορισμοί μπορούν να ξεπεραστούν χρησιμοποιώντας την ευελιξία του χειρισμού του φωτός σε μια νανο-φωτονική πλατφόρμα και την πυκνή οπτική ολοκλήρωση που είναι δυνατή στη φωτονική του πυριτίου. Η προσέγγισή μας βασίζεται στην κατασκευή της επιθυμητής κατάστασης με άμεσο, στο τσιπ έλεγχο της παρεμβολής των πλατών διφωτονίων που παράγονται σε πολλαπλούς συντονιστές δακτυλίου που αντλούνται με συνοχή. Οι καταστάσεις μπορούν έτσι να κατασκευαστούν «κομμάτι-κομμάτι» με προγραμματιζόμενο τρόπο, επιλέγοντας τη σχετική φάση κάθε πηγής. Επιπλέον, δεδομένου ότι η απόσταση του κάδου συχνοτήτων δεν σχετίζεται πλέον με την ακτίνα του δακτυλίου, μπορεί κανείς να εργαστεί με αντηχεία πολύ υψηλής λεπτότητας, φτάνοντας τους ρυθμούς παραγωγής megahertz. Αυτές οι δύο ανακαλύψεις, δηλαδή οι υψηλοί ρυθμοί εκπομπής σε συνδυασμό με τις υψηλές τιμές του ελεύθερου φασματικού εύρους, μαζί με τον έλεγχο κατάστασης εξόδου με χρήση στοιχείων στο τσιπ, είναι δυνατές μόνο με χρήση πολλαπλών δακτυλίων: δεν θα ήταν εφικτές εάν οι κάδοι συχνοτήτων κωδικοποιήθηκαν στο αζιμουθιακό τρόποι λειτουργίας ενός μόνο αντηχείου.

Δείχνουμε ότι με την ίδια συσκευή, μπορεί κανείς να δημιουργήσει όλες τις υπερθέσεις του |00⟩|00⟩   |11⟩|11⟩ καταστάσεις ή, σε άλλη διαμόρφωση με διαφορετικό διάκενο συχνοτήτων, όλες οι υπερθέσεις του |01⟩|01⟩   |10⟩|10⟩ πολιτείες. Χρειάζεται μόνο να κινηθεί ο μετατροπέας φάσης στο τσιπ και να ρυθμιστεί κατάλληλα η διαμόρφωση της αντλίας. Αυτό σημαίνει ότι και οι τέσσερις πλήρως διαχωρίσιμες καταστάσεις της υπολογιστικής βάσης και οι τέσσερις μέγιστα μπερδεμένες καταστάσεις Bell (∣∣Φ±⟩=(|00⟩±|11⟩)/2–√|Φ±⟩=(|00⟩±|11⟩)/2   ∣∣Ψ±⟩=(|01⟩±|10⟩)/2–√|Ψ±⟩=(|01⟩±|10⟩)/2) είναι προσβάσιμα. Ο υψηλός ρυθμός παραγωγής μας επιτρέπει να πραγματοποιούμε κβαντική τομογραφία κατάστασης όλων αυτών των καταστάσεων, φτάνοντας την πιστότητα έως και 97.5% με καθαρότητες κοντά στο 100%.

Χαρακτηρισμός συσκευής και αρχή λειτουργίας

Η συσκευή αναπαρίσταται σχηματικά στο Σχ.