I kvanteberegning mangler fotoniske kvanteprosessorer fortsatt antall kvantebiter sammenlignet med andre typer kvantebiter. Men de lover, på grunn av deres potensial i å skalere opp en fotonisk kvanteprosessor.
For en fullt funksjonell optisk kvantedatamaskin må fotoner genereres, behandles og oppdages. Generering oppnås via en kvantelyskilde som genererer enkeltfotoner som kan utnyttes til å kryptere informasjon. En kombinasjon av lineær optikk danner de nødvendige kvanteportene der disse kvantebitene med informasjon behandles. Til slutt oppdager svært effektive enkeltfotondetektorer disse fotonene som leser informasjonen.
Det som er magisk med kvantefotonisk databehandling er at alle disse byggesteinene kan implementeres i fotoniske integrerte kretser (PIC). Ulike lovende plattformer kan betjene prosessene ovenfor, for eksempel silika-på-isolator (SiO2), silisium-på-isolator (Si), silisiumnitrid (Si3Allerede4), litiumniobat (LN), galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (InP) og andre. Uunngåelig er egenskapene til hver plattform forskjellige; hver tilbyr forskjellige ønskede funksjoner. Innovative løsninger som tillater kombinasjonen av disse plattformene til hybride PICer er nødvendig. I nær fremtid vil vi se fremveksten av hybridplattformer som kombinerer forskjellige fotoniske teknologier til en enkelt funksjonell enhet, og klarer å overvinne begrensningene til monolitiske fotoniske kretser.
Integrerte enkeltfotonkilder
Generering av et enkelt foton og dets tilstander på en brikke er avgjørende for alle fotonisk-baserte kvanteapplikasjoner. Spesielt ved å aktivt demultiplekse en strøm av enkeltfotoner til forskjellige romlige moduser, åpner det døren til muligheten for å utføre kvanteberegning og avansert kvantesansing.
Quandela (Paris, Frankrike), en utvikler av kvantelyskilder og en leverandør av fotoniske kvantedatabehandlingsløsninger, jobber i denne retningen med sine kvanteprikker, som er svært effektive kilder til enkeltfotoner som ikke kan skilles. Kvanteprikker er “kunstige atomer” fullt integrert i halvledermaterialer, etter standard halvlederteknologier.
Selskapet har brakt dette et skritt videre med Prometheus, sin første frittstående kvantelyskilde (se fig. 1). Den patenterte fiber-pigtailing-teknikken gir høy integrasjon i en plug-and-play 19-in. rack, som leverer høykvalitets fotoniske qubits for kvanteinformasjonsbehandling.
Sparrow Quantum (København, Danmark) gir en enkeltfotonkildebrikke som en skalerbar løsning for effektiv fotongenerering basert på en GaAs-plattform med InAs kvanteprikker innebygd i fotoniske krystallnanostrukturer. Nøyaktig kontroll over miljøet rundt kvanteprikkene har ført til verdens høyeste troverdighet for generering av enkeltfoton, og muliggjør multifotoninteraksjoner. Det neste trinnet for Sparrow Quantum er å utvikle en brukervennlig enkeltfotonkilde som muliggjør en plug-and-play-opplevelse.
Integrerte enkeltfoton-detektorer
On-chip-deteksjon av enkeltfotoner tillater den ultimate avlesningen av kvanteinformasjon. Flere enkeltfotondetektorteknologier er tilgjengelige, for eksempel skredfotodioder og superledende nanotråd-enfotondetektorer (SNSPD-er).
Pixel Photonics (Münster, Tyskland) har utviklet en tilnærming for å integrere SNSPD-er på en nanofotonisk bølgeleder. Agnostisk til det bølgeledende materialet, gjør teknologien det mulig å integrere svært parallellisert, effektiv og ultrarask enkeltfoton-deteksjon med den foretrukne kvantefotoniske plattformen for den respektive applikasjonen. Detektorgeometrien kan enkelt optimaliseres for enhver ønsket bølgelengde, fra ultrafiolett (UV) til omtrent 2 µm. Ved å kombinere passive (f.eks. silisiumnitrid) eller aktive (f.eks. litiumniobat) kvantefotoniske komponenter med de overlegne egenskapene til SNSPD-er, er Pixel Photonics’ teknologi iboende egnet for produksjon i waferskala, noe som muliggjør et nytt nivå av integrering for kvantefotoniske applikasjoner der det er behov for høyeffektiv enkeltfotondeteksjon.
Integrert fotonikk for kvantekommunikasjon
KETS Quantums (Bristol, Storbritannia) kvantesikkerhet bruker integrerte fotonikkbrikker for å tillate fleksible, kostnadseffektive og robuste løsninger som kan distribueres i stor skala, selv i de mest utfordrende miljøene. I løpet av de siste fem årene har KETS engasjert seg med flere brikkeorganisasjoner på tvers av ulike sektorer, inkludert telekommunikasjon, myndigheter, forsvar og finans, for å hjelpe dem med å sikre systemene og dataene sine med kvantesikre kryptoløsninger. Teknologien deres miniatyriserer kvantesikker maskinvare i en størrelse, formfaktor og prispunkt som gjør at den kan skaleres for kvantetiden.
KETS har jobbet med Airbus og andre partnere for å lykkes med å demonstrere kvantesikker kommunikasjon mellom et ubemannet luftfartøy (UAV) og en bakkestasjon – et springbrett mot satellitt-kvantenøkkeldistribusjon (QKD).
Deres brikkebaserte plattform gir en prototypeløsning under svært utfordrende størrelses-, vekt- og kraftbegrensninger (SWaP). De demonstrerte generering av sikre nøkler med en gigahertz-drevet sender over en høy-tap ledig plass-link (~25 dB) i dagslysforhold.
I telekommunikasjonssektoren er KETS den eneste, nye leverandøren av kvantekrypteringsmaskinvare til ParisQCI, et av de første regionale skrittene mot den større, sikre kvantekommunikasjonsinfrastrukturen som spenner over hele EU. For å rulle ut denne teknologien over hele verden, er prosjektet “Building a standardized quantum-safe networking architecture” (BaSQuaNa) et partnerskap mellom Storbritannia og Canada, med det overordnede målet om å utvikle det første transatlantiske QKD-kommunikasjonsnettverket.
Datasentre er viktige aspekter av enhver datadrevet verden. KETS er medleder for et nylig annonsert 11,6 millioner pund Quantum Data Center of the Future ISCF-prosjekt. Den vil til slutt utvikle prototypeintegrasjoner ved å bruke KETS’ utviklingssett som kjernebyggesteiner og teste og foredle dem til fulle applikasjoner med sluttbrukere.
Programmerbare kvantebrikker og fotonikkbasert kvanteprosessor
Fotonisk databehandling og prosessering inntar en ledende posisjon i spekteret av såkalte Beyond Moore-tilnærminger. Den kontrollerte manipuleringen av optiske bølger i amplitude, fase og bølgelengde muliggjort av integrert fotonikk er en radikal fremgang av det etablerte elektroniske digitale databehandlingsparadigmet som bare bruker elektroner.
iPronics (Valencia, Spania) introduserte den første programmerbare fotoniske prosessoren med et bredt spekter av applikasjoner, inkludert 5/6G, kommunikasjon, sansing og databehandling (se fig. 2). I forhold til fotonisk databehandling utforsker denne teknologien optisk interferens for å utføre matrise-vektor-multiplikasjoner på en ultrarask og parallellisert måte. Disse funksjonene kan brukes direkte på kvanteberegning ved å inkludere enkeltfotonlasere og fotodetektorer. Dette vil tillate implementering av kvantelogiske porter, som er en nøkkel muliggjører for kvanteberegning. Programmerbarheten til disse kvanteportene oppnås gjennom en brukervennlig programvareplattform, som frigjør det fulle potensialet til programmerbar fotonikk.
QuiX Quantum (Enschede, Nederland) er den globale markedslederen innen fotonisk kvantedatabehandlingsmaskinvare, takket være sin modne underliggende teknologi basert på silisiumnitridbølgeledere (se fig. 3). De utvikler og selger de kraftigste kvantefotoniske prosessorene som er tilgjengelige på markedet. Disse prosessorene har blitt de facto-standarden for fotonisk kvanteberegning over hele Europa. Den patenterte TriPleX silisiumnitridplattformen brukt av QuiX tilbyr en skalerbar tilnærming til kvanteberegning med fordelen ved romtemperaturoperasjoner. Den har potensiell bruk i applikasjoner som personlig medisin, selvkjørende biler og energilagring. Selskapets neste steg er oppskalering av deres kvantefotoniske prosessorteknologi, realisering av en fotonisk kvanteberegningsarkitektur og skytilgang til et av dets komplette systemer hvor det vil være mulig å kjøre spesifikke kvanteberegningsoppgaver.
SiPhotonIC (Virum, Danmark) har som mål å bringe rask og presis prototyping av kvantefotoniske integrerte kretser (QPICs) både for kommersielle kunder og forskningslaboratorier. Selskapet designer og produserer tilpassede QPIC-er basert på 220- og 250-nm silisium-på-isolator-teknologi (SOI). Plattformen ble utviklet med lavtap fotoniske komponenter skreddersydd for kvantefotoniske applikasjoner. Avhengig av kundenes krav, er den avhengig av dype UV- og elektronstrålelitografiske prosesser, med leveringstider på mindre enn én til tre måneder, noe som gjør den svært attraktiv for raske FoU-iterasjonssykluser som krever noen få SOI-prøver. Andre materialer og prosesser kan vurderes for tilpassede QPIC-prosjekter. Selskapet tilbyr også on-demand ekstra backend-tjenester gjennom tredjeparter.
SiPhotonIC har en sterk merittliste innen produksjon av QPIC-er for kjente internasjonale forskerteam og selskaper som har ført til publikasjoner i topptidsskrifter. Indikativt er generering eller sampling av kvantetilstander av lys, kvanteteleportering, kvanteforviklinger, QKD, feilbeskyttede qubits og andre kvantekommunikasjons- og kvantefotoniske databehandlingskonsepter blitt demonstrert med QPIC-er ved å bruke SiPhotonICs SOI-plattform.
Et av de mest komplekse systemene utviklet av SiPhotonIC er en enkelt programmerbar QPIC designet for flerdimensjonal kvantesammenfiltring. En programmerbar fotonbrikke ble laget for å oppnå dette, og integrerte mer enn 550 fotoniske komponenter på en enkelt brikke, inkludert 16 identiske fotonparkilder. Det flerdimensjonale systemet har demonstrert tidligere uutforskede kvanteapplikasjoner, for eksempel kvantetilfeldighetsutvidelse og selvtesting på flerdimensjonale tilstander.
SiPhotonIC utvidelsesmål inkluderer utgivelse av proprietære plattformer basert på toppmoderne silisiumnitrid (SiN) og tynnfilm litiumniobat (TFLN)-teknologi for fotonisk prototyping for både kvante- og klassiske applikasjoner, så vel som for produktutvikling. Selskapets målrettede applikasjoner inkluderer kvantefotonisk databehandling, kvantekommunikasjon og kvantesansing.
Svært fleksibel fotonisk multichip-integrasjon med lite tap
I en fullt funksjonell optisk kvantedatamaskin må de nevnte lovende plattformene for å generere, behandle og oppdage fotoner innlemmes. Vanguard Automations (Karlsruhe, Tyskland) fotoniske ledningsbinding og 3D-printede mikrolinseteknologi kombinerer de komplementære styrkene til disse forskjellige optiske integrasjonsplattformene i avanserte fotoniske multichip-moduler, noe som fører til kompakthet med høy ytelse og stor designfleksibilitet som er nødvendig for å nå de utfordrende kravene til en fullt funksjonell optisk kvantedatamaskin. Teknikken er avhengig av svært presis direkteskrivende 3D-laserlitografi for utskrift av friforms enkeltmodusbølgeledere mellom optiske dyser, og tilbyr dermed en vei mot fullt automaterbar fotonisk pakking opp til masseproduksjon uten behov for aktiv justering.
3D nanoprinting kan også brukes til å fremstille fasettfestede stråleformende elementer på optiske brikker og fibre, noe som muliggjør kobling med lavt tap med høy innrettingstoleranse og for sondering på wafernivå av optiske enheter. De fotoniske trådbindingene og 3D-printede mikrolinser har allerede demonstrert sine evner i kvanteapplikasjoner (se fig. 4).
En andre kvanterevolusjon
Selv om mye av dette arbeidet er i et utviklingsstadium, fra fremgangen til dags dato, er det klart at vi går inn i et paradigmeskifte for kvanteberegning og kvantekommunikasjon og på randen av den andre kvanterevolusjonen.
TAKK
EPIC ønsker å anerkjenne sine medlemmer og samarbeidspartnere som alltid er ivrige etter å dele sine ambisjoner og visjoner, spesielt Diogo Costa og Anna Gonzalez, iPronics; Wladick Hartmann, Pixel Photonics; Caterina Taballione, QuiX Quantum; Stelios Pitris, SiPhotonIC; og Tom Crabtree, KETS Quantum.