Однофотонные детекторы известны своей темпераментностью: из 100, нанесенных на микросхему с использованием стандартных производственных технологий, только небольшая часть будет работать. В статье, опубликованной сегодня в Nature Communications, исследователи из Массачусетского технологического института и других организаций описывают процедуру изготовления и тестирования детекторов по отдельности, а затем переноса тех, которые работают, на оптический чип, построенный с использованием стандартных производственных процессов.
Помимо получения более плотных и больших массивов, этот подход также увеличивает чувствительность детекторов. В ходе экспериментов исследователи обнаружили, что их детекторы в 100 раз более точно регистрировали приход одиночного фотона, чем те, что были обнаружены в более ранних массивах.
«Вы делаете обе части — детекторы и фотонный чип — с помощью наилучшего процесса изготовления, которому посвящены, а затем соединяете их вместе», — объясняет Фараз Наджафи, аспирант в области электротехники и информатики Массачусетского технологического института и первый автор. на новой бумаге.Мышление маленькоеСогласно квантовой механике, крошечные физические частицы, как это ни парадоксально, могут одновременно населять взаимоисключающие состояния.
Вычислительный элемент, сделанный из такой частицы, известный как квантовый бит или кубит, может, таким образом, представлять ноль и единицу одновременно. Если несколько кубитов «запутаны», то есть их квантовые состояния зависят друг от друга, то одно квантовое вычисление в некотором смысле похоже на выполнение множества вычислений параллельно.
С большинством частиц запутанность трудно поддерживать, но с фотонами это относительно легко. По этой причине оптические системы являются многообещающим подходом к квантовым вычислениям. Но любой квантовый компьютер — скажем, тот, чьи кубиты представляют собой захваченные лазером ионы или атомы азота, внедренные в алмаз, — все равно выиграет от использования запутанных фотонов для перемещения квантовой информации.
«Поскольку в конечном итоге кто-то захочет создавать такие оптические процессоры, возможно, с десятками или сотнями фотонных кубитов, делать это с использованием традиционных оптических компонентов становится непросто», — говорит Дирк Инглунд, доцент кафедры электротехники и информатики в Массачусетском технологическом институте Джеймисона. и автор-корреспондент по новой статье. «Это не только громоздко, но, вероятно, невозможно, потому что, если вы попытаетесь построить его на большом оптическом столе, просто случайное движение стола вызовет шум в этих оптических состояниях. схем. "Проект был результатом сотрудничества группы Инглунда и группы Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group, возглавляемой Карлом Берггреном, доцентом электротехники и информатики, членом которой является Наджафи. К исследователям Массачусетского технологического института также присоединились коллеги из IBM и Лаборатории реактивного движения НАСА.
ПереездПроцесс исследователей начинается с кремниевого оптического чипа, изготовленного с использованием обычных производственных технологий. На отдельном кремниевом чипе они выращивают тонкую гибкую пленку нитрида кремния, на которую наносят сверхпроводящий нитрид ниобия в виде рисунка, полезного для детектирования фотонов.
На обоих концах полученного детектора наносят золотые электроды.Затем к одному концу пленки нитрида кремния они прикрепляют небольшую каплю полидиметилсилоксана, типа силикона. Затем они прижимают вольфрамовый зонд, обычно используемый для измерения напряжения в экспериментальных микросхемах, к силикону.«Это почти как Silly Putty», — говорит Инглунд. «Вы кладете его, он распространяется и образует большую площадь контакта с поверхностью, и когда вы быстро поднимаете его, он будет поддерживать эту большую площадь поверхности.
А затем он расслабляется, чтобы вернуться в одну точку. Это как если бы вы пытаетесь поднять монету пальцем. Вы нажимаете на нее и быстро поднимаете, и вскоре после этого она упадет ».С помощью вольфрамового зонда исследователи снимают пленку с подложки и прикрепляют ее к оптическому чипу.
В предыдущих массивах детекторы регистрировали только 0,2 процента направленных на них одиночных фотонов. Даже внутрикристальные детекторы, размещенные по отдельности, исторически превышали около 2 процентов. Но количество детекторов на новом чипе исследователей достигло 20 процентов.
Это все еще далеко от 90 процентов или более, необходимых для практической квантовой схемы, но это большой шаг в правильном направлении.