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fotónica cuántica integrada

La fotónica cuántica integrada utiliza circuitos fotónicos integrados para controlar estados cuánticos fotónicos en aplicaciones de tecnologías cuánticas . [ 1 ] [ 2 ] De este m...

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La fotónica cuántica integrada utiliza circuitos fotónicos integrados para controlar estados cuánticos fotónicos en aplicaciones de tecnologías cuánticas . [ 1 ] [ 2 ] De este modo, la fotónica cuántica integrada ofrece un enfoque prometedor para la miniaturización y la ampliación de circuitos cuánticos ópticos . [ 3 ] La principal aplicación de la fotónica cuántica integrada es la tecnología cuántica : por ejemplo, computación cuántica , [ 4 ] comunicación cuántica , simulación cuántica , [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] caminatas cuánticas [ 9 ] [ 10 ] y metrología cuántica . [ 11 ]

Historia

La óptica lineal no se consideraba una plataforma tecnológica potencial para la computación cuántica hasta el trabajo fundamental de Knill, Laflamme y Milburn, [ 12 ] que demostró la viabilidad de las computadoras cuánticas ópticas lineales utilizando detección y realimentación para producir puertas deterministas de dos cúbits. Posteriormente, se realizaron varias demostraciones experimentales de prueba de principio de puertas de dos cúbits en óptica volumétrica. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] Pronto quedó claro que la óptica integrada podría proporcionar una tecnología habilitadora poderosa para este campo emergente. [ 16 ] Los primeros experimentos en óptica integrada demostraron la viabilidad del campo a través de demostraciones de interferencia clásica y no clásica de alta visibilidad. Típicamente, se utilizan componentes ópticos lineales como acopladores direccionales (que actúan como divisores de haz entre modos de guía de onda) y desfasadores para formar interferómetros Mach-Zehnder anidados [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] para codificar un cúbit en el grado de libertad espacial. Es decir, un solo fotón se encuentra en superposición entre dos guías de onda, donde los estados cero y uno del cúbit corresponden a la presencia del fotón en una u otra guía de onda. Estos componentes básicos se combinan para producir estructuras más complejas, como puertas de entrelazamiento y circuitos cuánticos reconfigurables. [ 20 ] [ 21 ] La reconfigurabilidad se logra ajustando los desfasadores, que se manipulan mediante elementos termoópticos o electroópticos. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]

Otra área de investigación en la que la óptica integrada resultará fundamental es la comunicación cuántica, que se ha caracterizado por un amplio desarrollo experimental que demuestra, por ejemplo, la distribución de claves cuánticas (QKD), [ 26 ] [ 27 ] relés cuánticos basados ​​en el intercambio de entrelazamiento y repetidores cuánticos.

Desde el nacimiento de la óptica cuántica integrada , los experimentos han abarcado desde demostraciones tecnológicas, por ejemplo, fuentes de fotones individuales integradas [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] y detectores de fotones individuales integrados , [ 31 ] hasta pruebas fundamentales de la naturaleza, [ 32 ] [ 33 ] nuevos métodos para la distribución de claves cuánticas, [ 34 ] y la generación de nuevos estados cuánticos de luz. [ 35 ] También se ha demostrado que un único dispositivo integrado reconfigurable es suficiente para implementar todo el campo de la óptica lineal, mediante el uso de un interferómetro universal reconfigurable . [ 20 ] [ 36 ] [ 37 ]

A medida que el campo ha progresado, se han desarrollado nuevos algoritmos cuánticos que proporcionan vías a corto y largo plazo para demostrar la superioridad de las computadoras cuánticas sobre sus contrapartes clásicas. La computación cuántica de estados de clúster ahora se acepta generalmente como el enfoque que se utilizará para desarrollar una computadora cuántica completa. [ 38 ] Si bien el desarrollo de una computadora cuántica requerirá la síntesis de muchos aspectos de la óptica integrada, el muestreo de bosones [ 39 ] busca demostrar el poder del procesamiento de información cuántica a través de tecnologías fácilmente disponibles y, por lo tanto, es un algoritmo muy prometedor a corto plazo para lograrlo. De hecho, poco después de su introducción, hubo varias demostraciones experimentales a pequeña escala de la efectividad del algoritmo de muestreo de bosones [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

Introducción

La fotónica cuántica es la ciencia de generar, manipular y detectar luz en regímenes donde es posible controlar coherentemente cuantos individuales del campo de luz (fotones). [ 44 ] Históricamente, la fotónica cuántica ha sido fundamental para explorar fenómenos cuánticos, por ejemplo con la paradoja EPR y los experimentos de prueba de Bell . [ 45 ] [ 46 ] También se espera que la fotónica cuántica juegue un papel central en el avance de tecnologías futuras, como la computación cuántica , la distribución de claves cuánticas y la metrología cuántica . [ 47 ] Los fotones son portadores particularmente atractivos de información cuántica debido a sus propiedades de baja decoherencia, transmisión a la velocidad de la luz y facilidad de manipulación. Los experimentos de fotónica cuántica tradicionalmente involucraban tecnología de "óptica volumétrica": componentes ópticos individuales (lentes, divisores de haz, etc.) montados en una gran mesa óptica , con una masa combinada de cientos de kilogramos.

La aplicación de circuitos fotónicos cuánticos integrados a la fotónica cuántica [ 1 ] se considera un paso importante en el desarrollo de tecnología cuántica útil. Los circuitos fotónicos de un solo chip ofrecen las siguientes ventajas sobre la óptica convencional:

  1. Miniaturización: El tamaño, el peso y el consumo de energía se reducen drásticamente gracias a un tamaño de sistema más pequeño.
  2. Estabilidad : Los componentes miniaturizados producidos con técnicas litográficas avanzadas generan guías de onda y componentes inherentemente estables en fase (coherentes) que no requieren alineación óptica.
  3. Tamaño del experimento : Se puede integrar un gran número de componentes ópticos en un dispositivo que mide unos pocos centímetros cuadrados.
  4. Facilidad de fabricación : Los dispositivos se pueden fabricar en grandes volúmenes a un coste mucho menor.

Al basarse en técnicas de fabricación bien desarrolladas, los elementos empleados en la fotónica cuántica integrada son más fácilmente miniaturizables, y los productos basados ​​en este enfoque pueden fabricarse utilizando procesos y métodos de producción existentes.

Materiales

El control de los fotones se puede lograr con dispositivos integrados que se pueden fabricar en diversos sustratos de materiales como sílice, silicio , arseniuro de galio , niobato de litio , fosfuro de indio y nitruro de silicio .

Sílice

Tres métodos para utilizar la sílice:

  1. Hidrólisis por llama.
  2. Fotolitografía .
  3. Escritura directa: utiliza un único material y un láser (un láser controlado por ordenador «daña» el vidrio manipulando el enfoque y la trayectoria del láser para crear líneas de circuito alterando el índice de refracción del material a lo largo de dicha trayectoria, produciendo así guías de onda). Este método tiene la ventaja de no requerir una sala limpia y es actualmente el método más común para fabricar guías de onda de sílice. También es excelente para la creación rápida de prototipos y se ha utilizado con éxito en varias demostraciones de fotónica topológica. [ 48 ]

Los principales desafíos de la plataforma de sílice son el bajo contraste del índice de refracción, la falta de capacidad de ajuste activo posterior a la fabricación (a diferencia de todos los demás sustratos) y la dificultad de la producción en masa con reproducibilidad y alto rendimiento debido a la naturaleza serial del proceso de inscripción.

Silicio

Una gran ventaja del silicio es que los circuitos pueden ajustarse activamente mediante microcalentadores térmicos integrados o moduladores PIN , una vez fabricados los dispositivos. Otro gran beneficio del silicio es su compatibilidad con la tecnología CMOS , lo que permite aprovechar la infraestructura de fabricación consolidada de la industria de la electrónica de semiconductores. Sin embargo, las estructuras difieren de las electrónicas modernas, ya que son fácilmente escalables. El silicio tiene un índice de refracción muy alto, de aproximadamente 3,5 a la longitud de onda de 1550 nm, comúnmente utilizada en telecomunicaciones ópticas . Por lo tanto, ofrece una de las mayores densidades de componentes en fotónica integrada. El gran contraste en el índice de refracción con el vidrio (1,44) permite que las guías de onda formadas por silicio rodeado de vidrio tengan curvas muy pronunciadas, lo que posibilita una alta densidad de componentes y un tamaño de sistema reducido. Se pueden obtener comercialmente obleas grandes de silicio sobre aislante (SOI) de hasta 300  mm de diámetro, lo que hace que la tecnología sea accesible y reproducible. Muchos de los sistemas más grandes (hasta varios cientos de componentes) se han demostrado en la plataforma de fotónica de silicio, con hasta ocho fotones simultáneos, generación de estados de grafo (estados de clúster) y hasta 15 cúbits dimensionales ). [ 49 ] [ 50 ] Las fuentes de fotones en circuitos de guía de ondas de silicio aprovechan la no linealidad de tercer orden del silicio para producir pares de fotones en mezcla espontánea de cuatro ondas . El silicio es opaco para longitudes de onda de luz por debajo de ~1200  nm, lo que limita la aplicabilidad a fotones infrarrojos. Los moduladores de fase basados ​​en fases termoópticas y electroópticas son característicamente lentos (KHz) y con pérdidas (varios dB) respectivamente, lo que limita las aplicaciones y la capacidad de realizar mediciones de alimentación directa para computación cuántica.

niobato de litio

El niobato de litio ofrece una gran no linealidad óptica de segundo orden , lo que permite la generación de pares de fotones mediante conversión descendente paramétrica espontánea . Esto también se puede aprovechar para manipular la fase y realizar la conversión de modo a altas velocidades, y ofrece una ruta prometedora para la alimentación directa para la computación cuántica, fuentes de fotones individuales multiplexadas (deterministas). Históricamente, las guías de onda se definen utilizando la difusión de titanio , lo que da como resultado guías de onda grandes (gran tamaño de modo y radio de curvatura). Una plataforma de reciente desarrollo conocida como niobato de litio de película delgada (TFLN), o niobato de litio sobre aislante (LNOI), que se basa en un proceso de nanofabricación que incluye litografía sin máscara UV o litografía de haz de electrones para definir guías de onda, ha logrado dispositivos fotónicos cuánticos de alto rendimiento y tamaño de característica a nanoescala. [ 51 ]

Materiales III-V sobre aislante

Las guías de onda fotónicas fabricadas con materiales del grupo III-V sobre aislante, como (Al)GaAs e InP, ofrecen algunas de las mayores no linealidades de segundo y tercer orden, un gran contraste de índice de refracción que proporciona un gran confinamiento modal y amplias bandas prohibidas ópticas que resultan en una absorción de dos fotones insignificante en longitudes de onda de telecomunicaciones. Los materiales III-V permiten la fabricación de componentes pasivos de baja pérdida y componentes activos de alta velocidad, como ganancia activa para láseres en chip, moduladores electroópticos de alta velocidad (efectos Pockels y Kerr) y detectores en chip. En comparación con otros materiales como la sílice, el silicio y el nitruro de silicio, la gran no linealidad óptica, junto con la baja pérdida de la guía de onda y el fuerte confinamiento modal, ha dado como resultado la generación de pares de fotones entrelazados ultrabrillantes a partir de resonadores de microranillo. [ 52 ]

Fabricación

Las tecnologías de fabricación convencionales se basan en procesos fotolitográficos , que permiten una gran miniaturización y producción en masa. En aplicaciones de óptica cuántica, la inscripción directa de circuitos mediante láseres de femtosegundos [ 53 ] o láseres UV [ 17 ] también ha desempeñado un papel relevante; estas son tecnologías de fabricación de bajo volumen, particularmente convenientes para fines de investigación donde se deben probar nuevos diseños con tiempos de fabricación rápidos.

Sin embargo, las guías de onda escritas con láser no son adecuadas para la producción en masa y la miniaturización debido a la naturaleza serial de la técnica de inscripción y debido al contraste de índice de refracción muy bajo que permiten estos materiales, a diferencia de los circuitos fotónicos de silicio. Los circuitos cuánticos escritos con láser de femtosegundos han demostrado ser particularmente adecuados para la manipulación del grado de libertad de polarización [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] y para construir circuitos con diseños tridimensionales innovadores. [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] La información cuántica se codifica en el chip ya sea en la trayectoria, polarización, intervalo de tiempo o estado de frecuencia del fotón y se manipula utilizando componentes integrados activos de manera compacta y estable.

Componentes

Aunque en los circuitos integrados fotónicos cuánticos se utilizan los mismos componentes fundamentales que en los clásicos , también existen algunas diferencias prácticas. Dado que la amplificación de estados cuánticos de un solo fotón no es posible ( teorema de no clonación ), la pérdida es la máxima prioridad en los componentes de la fotónica cuántica.

Las fuentes de fotones individuales se construyen a partir de bloques de construcción (guías de onda, acopladores direccionales, desfasadores). Típicamente, los resonadores de anillo óptico y las secciones largas de guía de onda proporcionan una mayor interacción no lineal para la generación de pares de fotones, aunque también se está avanzando en la integración de sistemas de estado sólido de fuentes de fotones individuales basadas en puntos cuánticos y centros de vacantes de nitrógeno con circuitos fotónicos de guía de onda. [ 62 ]

Véase también

Referencias

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