Интегральные источники одиночных фотонов стали в десять раз ярче

Zhaohui Ma et al. / Physical Review Letters, 2020

Физики создали интегральный источник одиночных фотонов, яркость которого в десять раз выше, чем у лучших предшественников. При маленьких мощностях накачки разработанный источник способен генерировать пары фотонов с мегагерцовыми частотами. Это может пригодиться для масштабирования оптических вычислений, где необходимо объединить все оптические элементы на чипе, по аналогии с электрическими схемами Работа принята для публикации в Physical Review Letters.

Фотонные квантовые вычислители уже превзошли классические в задаче бозонного сэмплинга на 100 кубитах. Следующий закономерный шаг в развитии оптических технологий — увеличение числа кубитов, уменьшение и упрощение оптической схемы для решения сложных прикладных задач.

Оптическая установка для квантовых вычислений состоит из источника одиночных фотонов, основной части, которая изменяет состояния фотонов, и детекторов. Вид основной части зависит от кодировки кубитов: например, если вся информация содержится в поляризации фотонов, то их состояния можно менять с помощью поляризационных пластинок. В последнее время ученые используют пространственное кодирование на чипе, которое заключается в следующем: на каждый кубит приходится два пути (волновода) в чипе, фотон может идти по одному пути — тогда он кодирует 0, или по другому — и тогда он кодирует 1. Оба пути одного фотона могут переплетаться между собой и такое переплетение образует светоделитель. Пути от разных фотонов тоже могут пересекаться, позволяя им взаимодействовать друг с другом.

Чипы-интерферометры для пространсвенного кодирования можно изготавливать литографическими методами на подложках из кремния, что очень удобно из-за освоенности полупроводниковой технологии. Генерация пар фотонов на этих же чипах позволила бы сделать фотонные процессоры еще миниатюрнее и избежать потерь на вводе излучения в чип. Поэтому ученые активно занимаются разработкой интегральных источников одиночных фотонов и пытаются вывести их на один уровень с уже существующими аналогами.

Один из важных параметров однофотонных источников — яркость. В случае использования нелинейных кристаллов в качестве источников, яркость показывает с какой частотой он испускает пары фотонов при определенной мощности. В результате накачки нелинейного кристалла (в данном случае ниобата лития) происходит спонтанное параметрическое рассеяние и из кристалла начинают вылетать запутанные пары фотонов, которые удовлетворяют условию фазового синхронизма. Кроме того, из-за того, что процесс генерации спонтанный, невозможно определить точные моменты, в которые рождаются фотоны. Для того, чтобы понимать, что на выходе источника есть фотон, детектируют парный ему фотон, который родился вместе с этим фотоном в одно и то же время (этого близнеца называются объявленным (heralded) фотоном).

Группа исследователей из Технологического института Стивенса под руководством Юй-Пин Хуаня (Yu-Ping Huang) смогла на порядок увеличить яркость источника одиночных фотонов на чипе. Ученые изготовили периодически поляризованный кристалл из ниобата лития с высоким коэффициентом нелинейности в виде кольцевого резонатора и накачивали его на длине волны 777,3 нанометра для генерации одиночных фотонов в невырожденном режиме. На подложку из кремния с двухмикрометровым слоем диоксида авторы наносили концентрический периодически поляризованный слой ниобата лития, в котором литографически рисовали кольцевой резонатор и после травления получали нужную структуру.

Для оценки коэффициента нелинейности кристалла, от которого зависит яркость источника, авторы накачивали кристалл и налюдали за генерацией второй гармоники. В этом процессе падающие фотоны с одинаковыми частотами объединяются внутри кристалла для генерации фотонов с удвоенной частотой. Авторы использовали инфракрасный лазер на длине волны 1554,6 нанометров в качестве накачки и получили эффективность генерации второй гармоники около 20 процентов (для случайного процесса это очень большое значение) при мощности всего 350 микроватт.

После этого ученые накачивали кристалл на длине волны 777,3 нанометра для генерации пар запутанных фотонов. Они тщательно подбирали параметры накачки (именно поэтому длины волн в экспериментах указаны очень точно), температуру кристалла и использовали оптические фильтры после него для того, чтобы увеличить вероятность рождения и детектирования одиночных фотонов. В итоге полученная яркость источника оказалась меньше предсказанной теоретической всего в 2,6 раза, что связано с большой чувствительность процесса к малейшим изменениям подобранных параметров. Кажется, что чем сильнее накачивать кристалл, тем больше фотонов удастся сгенерировать. Однако, для мощности накачки кристалла существует оптимальное значение и оно определяется отношением парных событий (совпадений на детекторах) к случайным. Дело в том, что при большой мощности накачки, становятся видимыми нелинейные эффекты высших порядков и помимо парных совпадений детекторы регистрируют и многофотонные. Поэтому физики измеряли это соотношение и подобрали мощность, при которой оно максимально.

Последним этапом исследования стала проверка работы источника в режиме с объявленным фотоном. В этом эксперименте они проверяли, что не объявленные фотоны действительно двигаются по одному. Для оценки качества однофотонного источника используют корреляционную функцию второго порядка. Авторы использовали один фотон как объявленный, а на пути другого ставили светоделитель и два детектора в каждом из его плеч. Один фотон не может вызвать одновременный клик обоих детекторов. При изменении задержки между фотонами иногда возможны случаи, когда они приходят на светоделитель вместе и детекторы регистрируют совпадения. Зависимость таких совпадений от временной задержки и описывают корреляционная функция второго порядка. В идеальном случае, минимум этот функции должен быть равен нулю. В работе ученым удалось добиться значения 0.008 в минимуме при нулевой задержке.

Сравнение разработанного источника с другими интегральными аналогами показывает его превосходство в яркости без потери в других параметрах. Его интеграция на чип с другими оптическими элементами позволит создавать быстрые, реконфигурируемые и многофункциональные квантовые устройства.

Разработка других частей квантового компьютера в интегральном исполнении тоже интересует ученых. Китайские физики уже использовали интегральный чип для реализации бозонного сэмплинга, а российские физики разрабатывают фотонный чип для 50-кубитного квантового компьютера.

Оксана Борзенкова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.