Ett steg närmare kvantoptiska kretsar

Forskargruppen vid KTH har lyckats skapa byggstenarna till ett hybridchip för kvantdataberäkningar genom att integrera så kallade kvantprickar i III-V-material med kiselbaserade fotoniska chip. De har lyckats generera och filtrera enstaka fotoner på chipet utan att använda några externa komponenter. Resultaten presenteras nu i en artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications. Idag finns det det många problem kvar som behöver lösas för att kunna utveckla effektiva integrerade kvantkretsar. Forskargruppen Quantum Nano Photonics på KTH, som leds av professor Val Zwiller, säger sig nu ha övervunnit många av dessa utmaningar. – Tidigare har det varit extremt svårt att isolera kvantprickar och placera dem i en användbar krets eftersom de uppstår slumpmässigt utan att man har kontroll över deras egenskaper och deras position i kretsen. Dessutom är det svårt att generera enstaka fotoner på ett chip utan att använda extern filtrering för att ta bort alla oönskade signaler från kvantemitterarna (d.v.s. källor som avger enstaka fotoner varje gång de skickar kvantenergi), säger Ali Elshaari, forskare vid KTH och en av medförfattarna till artikeln. Forskargruppen har använt en ny nanomanipuleringsteknik för att överföra utvalda, förkategoriserade, enstaka fotonemitterare i nanotrådar till ett kiselbaserat chip. Därefter har de byggt en integrerad optisk krets där man filtrerar enstaka fotoner och multiplexar dem. Det senare innebär att man använder multipla kvantprickar för att generera ljus i olika ”färger” som kan användas för att koda olika information på samma chip. – För att kunna åstadkomma en fungerande kvantoptisk krets måste man bygga dess komponenter deterministiskt. Det innebär att varje komponent i kretsen är noga utformad och optimerad för att utföra en specifik uppgift. Till skillnad från tidigare tillvägagångssätt finns det inget utrymme för slumpmässighet när det gäller källans egenskaper eller dess placering i den optiska kretsen, säger Ali Elshaari. Ett av de nya resultaten av forskargruppens arbete är att de har utvecklat en hybridmetod där man kombinerar två halvledarteknologier: III-V-halvledare i form av nanotrådsbaserade kvantemitterare och kiselteknik för den integrerade optiska kretsen. – Hybridintegrering med nanotrådar har inte gjorts tidigare. Resultaten är ett mycket viktigt steg mot att göra det möjligt att processa kvantinformation på ett chip. Artikeln "On-chip singel photon filtrering and multiplexing in hybrid quantum photonic Circuits" har nu publicerat i Nature Communications.