Como os ressonadores de anéis de silício estão reescrevendo as regras da computação quântica

Um avanço na fotônica integrada permitiu que os pesquisadores aproveitassem a manipulação da luz em chips de silício, abrindo caminho para melhorias Computação quântica e comunicações seguras.

Eles desenvolveram ressonadores de anel de silício compactos para gerenciar 34 portas de qubit e estabeleceram uma nova rede quântica de cinco usuários.

Salto quântico na fotônica integrada

Em um salto significativo para a tecnologia quântica, pesquisadores atingiram um marco no aproveitamento da dimensão de frequência dentro da fotônica integrada. Esse avanço não só promete avanços na computação quântica, mas também estabelece as bases para redes de comunicação ultra-seguras.

A fotônica integrada, a manipulação de luz dentro de pequenos circuitos em chips de silício, há muito tempo é promissora para aplicações quânticas devido à sua escalabilidade e compatibilidade com a infraestrutura de telecomunicações existente.

Um microrressonador de silício (esquerda, imagem SEM) fornece uma fonte de banda larga paramétrica para pares de fótons emaranhados em frequência a 21 GHz de distância para atingir redes quânticas de larga escala codificadas em frequência. O resultado é uma rede totalmente conectada, livre de nós confiáveis, onde os usuários são vinculados por um estado emaranhado em frequência de dois qubits. Crédito: Henry et al., doi 10.1117/1.AP.6.3.036003.

Avanço no design de circuitos quânticos

Em um estudo publicado em Fotônica Avançadapesquisadores do Centro de Nanociências e Nanotecnologia (C2N), Télécom Paris e STMicroelectronics (STM) superaram limitações anteriores desenvolvendo ressonadores de anel de silício com uma pegada menor que 0,05 mm², capazes de gerar mais de 70 canais de frequência distintos espaçados de 21 GHz.

Isso permite a paralelização e o controle independente de 34 portas de qubit simples usando apenas três dispositivos eletro-ópticos padrão. O dispositivo pode gerar com eficiência frequências emaranhadas fóton pares que são facilmente manipuláveis ​​– componentes críticos na construção de redes quânticas.

Melhorando o controle do estado quântico

A principal inovação está na capacidade de explorar essas estreitas separações de frequência para criar e controlar estados quânticos. Usando ressonadores de anel integrados, eles geraram com sucesso estados emaranhados de frequência por meio de um processo conhecido como mistura espontânea de quatro ondas. Essa técnica permite que os fótons interajam e se emaranhem, uma capacidade crucial para a construção de circuitos quânticos.

O que diferencia essa pesquisa é sua praticidade e escalabilidade. Ao alavancar o controle preciso oferecido por seus ressonadores de silício, os pesquisadores demonstraram a operação simultânea de 34 portas de qubit único usando apenas três dispositivos eletro-ópticos prontos para uso. Essa inovação permite a criação de redes quânticas complexas onde múltiplos qubits podem ser manipulados de forma independente e em paralelo.

Para validar sua abordagem, a equipe realizou experimentos no C2N, mostrando tomografia de estado quântico em 17 pares de qubits emaranhados ao máximo em diferentes intervalos de frequência. Essa caracterização detalhada confirmou a fidelidade e a coerência de seus estados quânticos, marcando um passo significativo em direção à computação quântica prática.

Marcos em redes quânticas

Talvez o mais notável seja que os pesquisadores atingiram um marco em redes ao estabelecer o que eles acreditam ser a primeira rede quântica de cinco usuários totalmente conectada no domínio de frequência. Essa conquista abre novos caminhos para protocolos de comunicação quântica, que dependem da transmissão segura de informações codificadas em estados quânticos.

Futuro das Tecnologias Quânticas

Olhando para o futuro, esta pesquisa não apenas mostra o poder da fotônica de silício no avanço das tecnologias quânticas, mas também abre caminho para futuras aplicações em computação quântica e comunicações seguras. Com avanços contínuos, essas plataformas fotônicas integradas podem revolucionar indústrias dependentes de transmissão segura de dados, oferecendo níveis sem precedentes de poder computacional e segurança de dados.

O autor correspondente Dr. Antoine Henry da C2N e Télécom Paris comenta, “Nosso trabalho destaca como o frequency-bin pode ser alavancado para aplicações em larga escala em informação quântica. Acreditamos que ele oferece perspectivas para arquiteturas de domínio de frequência escaláveis ​​para comunicações quânticas de alta dimensão e eficiência de recursos.” Henry observa que fótons únicos em comprimentos de onda de telecomunicações são ideais para aplicações do mundo real aproveitando as redes de fibra óptica existentes a fotônica integrada permite a miniaturização, estabilidade e escalabilidade/potencial para maior complexidade de dispositivos e, portanto, geração de pares de fótons eficiente e personalizada para implementar redes quânticas com codificação de frequência em comprimento de onda de telecomunicações.

As implicações desta pesquisa são vastas. Ao aproveitar a dimensão de frequência na fotônica integrada, os pesquisadores desbloquearam vantagens importantes, incluindo escalabilidade, resiliência a ruído, paralelismo e compatibilidade com técnicas de multiplexação de telecomunicações existentes. À medida que o mundo se aproxima da realização de todo o potencial das tecnologias quânticas, este marco relatado pelos pesquisadores da C2N, Telecom Paris e STM serve como um farol, guiando o caminho em direção a um futuro em que as redes quânticas oferecem comunicação segura.

Referência: “Paralelização de portas quânticas de domínio de frequência: manipulação e distribuição de pares de fótons emaranhados em frequência gerados por um microrressonador de silício de 21 GHz” por Antoine Henry, Dario A. Fioretto, Lorenzo M. Procopio, Stéphane Monfray, Frédéric Boeuf, Laurent Vivien, Eric Cassan, Carlos Alonzo-Ramos, Kamel Bencheikh, Isabelle Zaquine e Nadia Belabas, 28 de junho de 2024, Fotônica Avançada.
DOI: 10.1117/1.AP.6.3.036003