Разработан квантовый фотонный чип, объединяющий светоизлучающие молекулы с одномодовыми волноводами

Однако для использования в реальных условиях эти фотонные чипы должны надёжно объединять множество детерминированных и неразличимых однофотонных источников на одном чипе.

До сих пор добиться этого было крайне сложно. В большинстве разработанных на сегодняшний день фотонных квантовых чипов используются твердотельные однофотонные излучатели, которые ограничены так называемой спектральной диффузией (то есть случайным «блужданием» частоты их излучения).

По сути, это означает, что они редко демонстрируют переходы, ограниченные временем жизни, то есть условия, при которых цветовой диапазон фотонов определяется исключительно естественным временем жизни излучателей в возбуждённом состоянии. Примечательно, что это условие необходимо для надёжной интеграции неразличимых однофотонных источников на кристалле.

Исследователи из Хуачжунского университета науки и технологий, Уханьского института квантовых технологий и Чжэцзянского университета представили новый молекулярный чип, который может преодолеть ограничения ранее представленных фотонных квантовых процессоров.

Их чип, представленный в статье в Nature Nanotechnology, объединяет светоизлучающие одиночные молекулы с одномодовыми волноводами — узкими оптическими компонентами, которые используются в интегральных схемах.

«В нашей предыдущей работе мы обнаружили, что отдельные органические молекулы, встроенные в монокристаллическую нанопластину, могут демонстрировать удивительно стабильную эмиссию с ограниченным временем жизни при подключении к фотонным цепям», — рассказал Phys.org Сюэ-Вэнь Чен, старший автор статьи.

«Это открытие побудило нас создать молекулярный квантовый фотонный чип, способный параллельно работать с несколькими неразличимыми источниками однофотонных сигналов. Настоящее исследование представляет собой первый важный шаг на пути к этой цели».

Для разработки чипа исследователи создали два неразличимых источника однофотонного излучения на основе двух независимых молекул, встроенных в монокристаллическую органическую нанопластину. Они показали, что излучение этих двух молекул демонстрирует эффект квантовой оптики, известный как интерференция Хонга — Оу — Манделя (HOM), что указывает на их неразличимость.

«Наш молекулярный квантовый фотонный чип создан на основе гибридной интеграционной платформы, которая сочетает в себе органические нанолисты, встроенные в молекулы, фотонные схемы из нитрида кремния и металлические микроэлектроды», — объяснил Чен.

«В рамках этой архитектуры флуоресцентные молекулы DBT интегрированы в фотонные волноводы в контролируемой ориентации и положении, что позволяет эффективно передавать их излучение в схему».

Важнейшей характеристикой чипа, разработанного исследователями, является то, что каждую из молекул, на которых он основан, можно настроить с помощью электричества. Применив тщательно откалиброванные электрические поля через электроды на чипе, исследователи показали, что они могут сдвигать частоты перехода двух молекул в отдельных волноводных каналах, делая их идентичными.

«Затем каждая молекула испускает одиночные фотоны в соответствующий волновод, и эти фотоны направляются на встроенный в чип светоделитель», — сказал Чен. — «На светоделителе фотоны встречаются и подвергаются интерференции HOM, в результате чего они сливаются в одном выходном порту, если они действительно неразличимы. Измеряя корреляцию второго порядка между двумя выходами светоделителя, мы определяем видимость HOM, которая напрямую отражает степень неразличимости фотонов от двух независимых молекул».

Ученые представили перспективную стратегию интеграции множества неразличимых одиночных фотонов на чипе. В будущем использованные ими методы могут открыть новые возможности для разработки крупномасштабных квантовых фотонных архитектур на основе молекулярных излучателей.

Результаты, опубликованные этими исследователями, могут вскоре послужить основой для разработки новых квантовых процессоров на основе молекулярных излучателей. Тем временем команда работает над усовершенствованием своего молекулярного квантового фотонного чипа и расширением его функциональных возможностей.