CREOL tim je prikazao skalabilno zaplitanje topološki zaštićenih modova svetlosti u silicijumskim superrešetkama. Koristeći jedinice od 4, 5 i 6 talasovoda, generisali su biphotone zapletene preko 3, 4 i 5 modova uz subpikosekundne impulse na 1550 nm. Merenja korelacije se slažu s teorijom uprkos fabrikacionim tolerancijama ±5 nm; Schmidt broj raste sa brojem modova dok vernost blago opada zbog manjeg bandgapa. Rezultat otvara put ka skalabilnijim i otpornijim kvantnim sistemima na praktičnoj silicijumskoj platformi.
CREOL Demonstrirao Skalabilnu Topološku Kvantnu Zapletenost u Silicijumskim Superrešetkama
Professor Andrea Blanco-Redondo while performing the photonic quantum experiments at her lab at CREOL, the College of Optics and Photonics at UCF. (CREDIT: UCF)
Slika svetlosti koja prolazi kroz sitnu silicijumsku strukturu deluje neupadljivo: ona klizi uskim talasovodima urezanim na čipu, vođena geometrijom toliko finom da se ne vidi golim okom. Ipak, istraživači sa University of Central Florida (CREOL) pronašli su način da u tim kanalima grade složenija kvantna stanja svetlosti bez povećavanja same složenosti sistema.
U članku objavljenom u Science, tim predvođen Andreom Blanco-Redondo prikazuje metodu za zaplitanje više topološki zaštićenih modova svetlosti u silicijumskim fotoničkim superrešetkama. Topološki modovi su učvršćeni u strukturi sistema — što im daje ugrađenu otpornost na lokalne nepravilnosti — i zato su naročito pogodni za skalabilne kvantne aplikacije.
CREOL doctoral student Javad Zakeri while performing the photonic quantum experiments at UCF’s College of Optics and Photonics. (CREDIT: UCF)
Kako radi pristup: umesto da se pravi kompleksniji uređaj, istraživači su »presložili nameštaj« unutar niza talasovoda: diskretno su pomerili talasovode u konfiguraciju koja podržava više ko‑lokalizovanih, topološki zaštićenih interfejsnih stanja. U praksi su napravili tri tipa superrešetki sa jedinicama od po četiri, pet i šest talasovoda, koje su redom podržavale po tri, četiri i pet topoloških interfejsnih stanja.
Tim je ekscitovao linearne superpozicije tih interfejsnih modova u pažljivo dizajniranim silicijumskim superrešetkama i iskoristio optičku nelinearnost talasovoda da generiše biphotone zapletene preko tri, četiri i pet topoloških moda. Eksperimenti su koristili subpikosekundne pump impulse na talasnoj dužini 1550 nm, ubačene kroz grating coupler u centar superrešetke.
Numerical simulation of quantum state generation in superlattices. (CREDIT: Science)
Na izlazu su fotoni razdvojeni u signalne i idler kanale, detektovani superprovodnim nanovodnim detektorima pojedinačnih fotona (SN SPD), a zapisi su prikupljeni putem merenja koincidencije. Dobijene korelacione mape prostornog intenziteta bile su u dobrom skladu sa teorijom za sve tipove superrešetki, što je posebno značajno jer merenja nisu obuhvatala fazne informacije — dakle poklapanje intenziteta podržava identifikaciju visokodimenzionalne zapletenosti.
Da bi proverili robusnost, istraživači su fabrički napravili po četiri kopije svakog dizajna. Čak i uz uobičajene nanofabrikacione tolerancije od približno ±5 nm, biphoton korelacione mape bile su slične među uređajima. Kao kvantitativne mere koristili su Schmidt broj (koji raste sa brojem modova) i vernost (fidelity) u odnosu na idealno teorijsko stanje.
Schmidt number and fidelity of the measured quantum states across devices. (CREDIT: Science)
Iako su rezultati ohrabrujući, autori napominju ograničenja: prosečna vernost blago opada pri većem broju modova, što ukazuju na veću osetljivost višedimenzionalnih stanja zbog manjeg bandgapa u složenijim sistemima. Autori predlažu da ciljano inženjerstvo bandgapova može ublažiti taj problem.
Rad je vodio tim iz CREOL-a — Andrea Blanco‑Redondo, doktorant Javad Zakery i bivši istraživač Armando Perez‑Leija (sada na Saint Louis University). Objava dolazi u trenutku kada CREOL i Florida Alliance for Quantum Technology proširuju kvantne kapacitete i infrastrukturu na Floridi.
Zašto je ovo važno: pristup pokazuje praktičan put ka stvaranju kvantnih stanja svetlosti koja su i bogatija u pogledu prenosa informacija i otpornija na greške u izradi. To predstavlja korak ka skalabilnijim i pouzdanijim kvantnim uređajima, pri čemu obične silicijumske fotoničke platforme ostaju relevantan i praktičan izbor za dalje istraživanje.
Studija je dostupna online u časopisu Science.
Pomozite nam da budemo bolji.
