Periodically poled thin-film lithium niobate ring Mach Zehnder coupling interferometer as an efficient quantum source of light

Auf der Suche nach dem Bau eines neuen Typs von Computer, der nach den Gesetzen der Quantenmechanik arbeitet, wenden sich Wissenschaftler dem Licht zu. Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die elektrische Schalter zur Informationsverarbeitung nutzen, verlassen sich diese zukünftigen Maschinen auf einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, um Berechnungen durchzuführen und Daten zu übertragen. Damit diese Vision Wirklichkeit werden kann, benötigen Ingenieure zwei sehr spezifische Lichtquellen. Die erste ist eine Maschine, die auf Abruf einzelne Photonen nacheinander, einzeln, mit perfektem Timing und ohne zusätzliches Rauschen ausspuckt. Die zweite ist eine Quelle, die „gequetschtes“ Licht erzeugt – ein spezieller Zustand, in dem die Unsicherheit der Eigenschaften des Lichts unter das normale Limit reduziert wird, eine Eigenschaft, die für einen anderen Zweig des Quantencomputings und der ultrasensitiven Sensorik entscheidend ist. Die Herausforderung besteht darin, ein einzelnes Bauteil zu schaffen, das beides effizient leisten kann, mit geringer Leistung arbeitet und in einem Format klein genug ist, um auf einen Computerchip zu passen.

Ein Team von Forschern bei den Nokia Bell Labs hat ein Design vorgeschlagen, das diese anspruchsvollen Anforderungen erfüllt, indem es zwei klassische optische Konzepte in einer einzigen, abstimmbaren Struktur kombiniert. Sie beschreiben ein Bauteil, das aus einem dünnen Film aus Lithiumniobat aufgebaut ist – einem Kristall, der für seine Fähigkeit bekannt ist, Licht zu manipulieren – und das in einen Ringresonator geformt wurde. Dieser Ring ist mit einem Mach-Zehnder-Interferometer verbunden, einem Aufbau, der Licht in zwei Pfade aufteilt und dann wieder zusammenführt. Die entscheidende Innovation liegt darin, wie die Forscher Wärme nutzen, um das Gerät zu steuern. Durch das Platzieren winziger Heizer auf dem Chip können sie die Temperatur der Lichtpfade präzise anpassen. Diese thermische Abstimmung ermöglicht es ihnen, die Art und Weise, wie das Licht in den Ring eintritt und ihn verlässt, zu verändern, ohne die physische Struktur des Chips verändern zu müssen. Diese Flexibilität ist entscheidend, da sie es ihnen ermöglicht, das Gerät für zwei sehr unterschiedliche Aufgaben zu optimisieren: die Erzeugung von gequetschtem Licht und die Erzeugung von Einzelphotonen.

Als die Forscher das Verhalten dieses Geräts simulierten, fanden sie heraus, dass es als hocheffizienter Motor für die Erzeugung von gequetschtem Licht fungieren kann. Durch das Beschießen des Geräts mit einem Laserstrahl bei einer spezifischen Wellenlänge zeigten sie, dass der Ring einen Zustand des Lichts erzeugen kann, in dem das Rauschen in einer Eigenschaft unterdrückt wird. Ihre Berechnungen deuten darauf hin, dass das Gerät mit einer sehr geringen Pumpleistung von weniger als einem Milliwatt ein Squeezing-Niveau von minus 12 Dezibel erreichen könnte. Dies ist ein bedeutendes Ergebnis, da frühere Versuche, solches Licht auf einem Chip zu erzeugen, oft viel höhere Leistungen erforderten oder eine geringere Qualität lieferten. Darüber hinaus ermöglicht das Design es ihnen, das Gerät so abzustimmen, dass es sogar höhere Squeezing-Niveaus von bis zu minus 19 Dezibel erreicht, wenn sie bereit sind, etwas mehr Leistung einzusetzen. Die Fähigkeit, dies mit einem so geringen Energieverbrauch zu tun, ist lebenswichtig, da es bedeutet, dass das Gerät potenziell durch kleine On-Chip-Laser anstatt durch sperrige externe Ausrüstung betrieben werden könnte.

Dasselbe Gerät erwies sich auch als fähig, Einzelphotonen zu erzeugen, welche die Bausteine für das lineare optische Quantencomputing sind. Um dies zu erreichen, simulierten die Forscher einen Prozess, bei dem ein Photon aus dem Pumpstrahl im Inneren des Rings in ein Paar von Photonen aufspaltet. Eines dieser Photonen dient als Signal, während das andere als Herald (Ankündiger) fungiert, der das Vorhandensein des Signalphotons verkündet. Das Team fand heraus, dass sie durch eine sorgfältige Anpassung der Temperatur des Interferometers sicherstellen konnten, dass die Heralding-Effizienz – die Wahrscheinlichkeit, dass ein heroldiertes Photon tatsächlich existiert – 94 bis 99 Prozent erreichte. Diese hohe Effizienz ist notwendig, um sicherzustellen, dass der Quantencomputer keine Zeit verschwendet, während er auf Photonen wartet, die niemals ankommen. Ein häufiges Problem in solchen Systemen ist jedoch, dass die Photonen oft „unrein“ sind, was bedeutet, dass sie mit anderen Eigenschaften verschränkt sind, was ihre Nützlichkeit für komplexe Berechnungen ruiniert.

Um das Reinheitsproblem zu lösen, schlugen die Forscher eine kluge Modifikation der Art und Weise vor, wie sie das Gerät pumpen. Anstatt einen einzelnen, kontinuierlichen Lichtpuls zu verwenden, simulierten sie die Verwendung von zwei kurzen Pulsen, die durch ein winziges Zeitintervall getrennt sind. Dieser Dual-Puls-Ansatz ermöglichte es ihnen, die unerwünschten Verbindungen zwischen den Photonen aufzubrechen, was zu einer Reinheit von bis zu 99 Prozent führte, während die hohe Heralding-Effizienz beibehalten wurde. Obwohl diese Methode anfangs den Anschein erweckte, die Rate der Photogenerierung zu verringern, merkten die Forscher an, dass dieser Verlust leicht kompensiert werden kann, indem man einfach die Spitzenleistung der Pumppulse erhöht. Die Simulationen legen nahe, dass mit einer Standard-Repetitionsrate und Pulsdauer eine moderate Erhöhung der Leistung die Generierungsrate wieder auf ein Niveau bringen könnte, das mit weniger reinen Methoden vergleichbar ist.

Das vorgeschlagene Design stützt sich vollständig auf Materialien und Fertigungstechniken, die bereits heute verfügbar sind. Die Verwendung von Dünnschicht-Lithiumniobat und Standard-Thermoheizungen bedeutet, dass dieses Gerät mit bestehenden industriellen Prozessen hergestellt werden kann, was es zu einem praktischen Schritt nach vorn statt zu einer theoretischen Kuriosität macht. Durch den Nachweis, dass ein einziger, abstimmbarer Ringresonator sowohl hochwertiges gequetschtes Licht als auch reine Einzelphotonen erzeugen kann, haben die Forscher eine verallgemeinerbare Lösung für die zwei kritischsten Bedürfnisse des photonischen Quantencomputings geliefert. Ihre Arbeit legt nahe, dass der Weg zu skalierbaren Quantencomputern möglicherweise nicht völlig neue Materialien oder unmögliche technische Meisterleistungen erfordert, sondern vielmehr die intelligente und präzise Steuerung des Lichts innerhalb eines Chips, der bereits in Reichweite liegt.