Совместная группа ученых из Великобритании, Японии и Нидерландов создала на текущий момент самую сложную и функциональную интегрированную квантовую схему на основе кремния. Схема, состоящая из двух источников фотонов на кристалле кремния, способна одновременно генерировать и «сцеплять» фотоны. В перспективе подобная интегрированная цепь может использоваться для нужд квантовой обработки информации или в экспериментах квантовой оптики.

Квантовая интерференция лежит в основе многих алгоритмов обработки квантовой информации, а также ряда технологий, построенных на этих алгоритмах.

Для наблюдения этого квантово-механического эффекта необходимо получить идентичные (не отличимые друг от друга) фотоны. Найти источники, способные испускать подобные частицы, до сих пор было довольно сложно.

Совместной группе исследователей из University of Bristol, Glasgow University (Великобритания) и Kavli Institute of Nanoscience at Delft University of Technology (Нидерланды) удалось решить эту задачу, впервые реализовав два абсолютно идентичных источника фотонов на одном кремниевом кристалле. Источники испускают сцепленные фотоны, что позволяет управлять ими с помощью дополнительных элементов на том же чипе.

Для генерации фотонов с помощью источников на кремниевом кристалле исследователи использовали луч «накачки» от инфракрасного лазера. Луч создавал фотонную пару посредством нелинейного взаимодействия с кремниевым материалом в рамках процесса, известного как спонтанное четырехволновое смешение. Луч попадал на две области на чипе (которые становились двумя источниками) и смешивались при помощи элемента светоделения, расположенного на том же чипе. В ходе эксперимента ученые контролировали длину пути, пройденного фотонами внутри источников, с помощью измерения температуры волноводов.

Благодаря предложенной структуре ученые впервые смогли изучить квантовую интерференцию между двумя источниками фотонов, расположенными на одном чипе. Результаты исследований (четкость интерференционной картины) показывают, что

предложенные источники оказались хорошо подобранными друг к другу, что в свою очередь является необходимым условием для построения любой более масштабной квантовой оптической системы.

Большим преимуществом предложенной конструкции является то, что подобные структуры могут быть изготовлены с использованием методик, похожих на традиционные техники производства микроэлектронных компонент. Описанные цепи были созданы в лаборатории Toshiba с использованием стандартных методов работы с кремнием, однако можно было бы использовать любой процесс, доступный для производства CMOS.

В долгосрочной перспективе ученые даже надеются создать устройства, совмещающие в себе квантовые фотонные и стандартные электронные компоненты на одном кристалле.

Предложенная учеными схема также может использоваться для выполнения более сложных экспериментов на чипе, нежели возможно в объемных структурах, построенных на основе идей волоконной оптики.

В настоящее время совместная научная группа планирует продолжить работу в направлении усложнения оптических цепей, объединив в одном устройстве все элементы, необходимые для создания интегрированных квантовых фотонных информационных систем на одном чипе. Сейчас им удалось успешно совместить квантовые источники и схемы, но следующая большая задача – включение в структуру одиночных детекторов фотонов, а затем – масштабирование результата до многих сотен компонент на одном кристалле. Это необходимо для выполнения более сложных задач.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Photonics.