Исследователи из Университета Бристоля в Великобритании разработали самый маленький в мире квантовый детектор света на кремниевом чипе. Этот миниатюрный детектор, тоньше человеческого волоса, может способствовать масштабированию квантовых технологий.
В 1960-х годах электроника сделала значительный скачок вперед после того, как ученые превратили крупные транзисторы в малые микрочипы, которые можно было производить дешево. Поскольку обнаружение светового сигнала или квантовых битов стало минимальным, аналогичный прорыв теперь ожидается и в квантовых компьютерах.
Современные квантовые компьютеры представляют собой массивные машины, занимающие целые комнаты и требующие для работы низкие температуры. Чтобы квантовые компьютеры, как и их бинарные аналоги, могли масштабироваться, устройства нужно уменьшить в размерах и упростить их включение и эксплуатацию.
Исследовательская группа под руководством профессора Джонатана Мэттьюза, директора Лаборатории технологий квантового инженерии, сделала первый шаг к миниатюризации квантового компьютера.
Впервые результаты своей работы команда представила в 2021 году, когда удалось связать фотонный чип с электронным и увеличить скорость обнаружения квантового света. Через три года исследователи интегрировали два компонента на одном чипе, сократив скорость обнаружения в 10 раз и размеры устройства в 50 раз.
Квантовый детектор света, интегрированный в чип, и его схема измеряют всего 80 на 220 микрометров. Для сравнения, средняя толщина человеческого волоса составляет около 50 микрометров.
Детектор, называемый гомодинным, широко используется в квантовой оптике, поскольку работает при комнатной температуре и применяется в высокочувствительных датчиках, таких как детекторы гравитационных волн.
Преимущество меньшего детектора заключается в быстрой регистрации квантового света, что улучшает скорость коммуникации в системе и, следовательно, общую скорость работы квантового компьютера.
Однако, как отметил лектор Университета Бристоля Джакомо Ферранти, меньшие и более быстрые датчики подвержены шумам. Ключом к измерению квантового света является чувствительность к квантовому шуму. Квантовая механика отвечает за минимальный уровень шума во всех оптических системах, и поведение этого шума раскрывает информацию о типе квантового света, проходящего через систему.
В своей работе исследователи доказали, что уменьшение размера детектора не влияет на его чувствительность к измерению квантовых состояний. Еще одним важным аспектом исследования стало использование существующего коммерческого производства для создания чипа, что облегчает его масштабное внедрение.
Джонатан Мэттьюз подчеркнул важность продолжения работы над масштабируемым производством квантовых технологий. Без этого преимущества и выгоды от квантовых технологий будут отложены и ограничены.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.