Passive to‑foton kvanteprikker muliggjør sikker fotonikk

Ingenørene ved Universitetet i Innsbruck, sammen med et team av forskere fra flere prestisjetunge institusjoner, avduket en ny metode for å lage dual‑state kvanteprikker. Disse unike skapningene er i stand til å oppnå en bieksiton‑tilstand uten aktive brytere (EOM‑er), noe som markerer et betydelig milepæl for kvanteteknologier.

Teamets arbeid kombinerer år med forskning innen kvante‑optikk, halvlederfysikk og fotonisk ingeniørkunst for å åpne døren til neste generasjons kvantedatamaskiner og kommunikasjon. Her er det du trenger å vite.

Fotonsk Kvantedatabehandling

Fotonsk kvantedatabehandling bruker lys‑fotoner for å oppnå et nytt nivå i beregningsytelse. Disse systemene fungerer ved å overføre fotoner gjennom spesialbygde optiske elementer. Disse komponentene gjør det mulig for enheten å beregne algoritmer mye raskere enn andre kvantedatabehandlings‑tilnærminger.

Merkverdig kunngjorde fotonikk‑firmaet Xanadu Aurora den 22. januar 2025 – en modulær, nettverksbasert fotonisk prototype bygget av fire rack‑monterte moduler koblet sammen via fiber (12 fysiske qubits, 35 chips, ~13 km fiber). Den demonstrerer en praktisk vei til skalerbarhet, ikke feil‑toleranse.

Til tross for sin bedre ytelse, er Aurora fortsatt utsatt for mange av de tradisjonelle hindringene for kvantedatabehandling, inkludert høye kostnader, tekniske krav og spesialisert maskinvare.

Kilde – University of Innsbruck

Hvorfor kvanteprikker er ideelle enkelt‑foton‑kilder

For å overkomme disse hindringene har ingeniører begynt å forske på kvanteprikker. Disse halvlederne kan levere deterministisk fler‑foton‑tilstandsgenerering, noe som gjør dem til de ideelle byggeklossene for qubits i kvantedatabehandlings‑applikasjoner.

Merkverdig er at kvanteprikker er nanostrukturer. De er ofte mindre enn 10 nanometer i størrelse, omtrent 1/10 000 av tykkelsen på et menneskehår. Disse mikroskopiske enhetene kan ha avgjørende egenskaper som evnen til å sende ut enkelt‑fotoner på forespørsel, noe som gjør dem ideelle for kvante‑applikasjoner.

For å excitere kvanteprikkene bruker ingeniører en optisk eksitasjonsmetode drevet av ultrarask aktiv polarisasjons‑bytte‑moduler. Denne handlingen produserer fler‑foton‑tilstanden som gjør disse enhetene til kjernekomponenter i dagens mest avanserte medisinske bildesystemer, mikroskopi, neste‑generasjons solceller, LED‑er, lasere, kvantedatamaskiner og mer.

Hvorfor aktiv EOM‑demultipleksing begrenser QD‑skalerbarhet

Et av de største problemene med kvanteprikker i dag er at hver prikk er unik og sender ut en litt annen farge. Som følge av dette er bruk av høyteknologiske moduler nødvendig for å sikre fler‑foton‑generering. Disse enhetene er kompliserte og kostbare. I tillegg krever de spesialiserte ingeniører for drift.

En annen begrensende faktor er maskinvarens ytelse i disse bryterne. Så langt har alle brytere blitt begrenset av sine fysiske design‑egenskaper. Enhetene har maksimal brytes‑hastighet som kan avta over tid etter hvert som maskinvaren eldes. Disse scenariene førte til uønsket ytelsestap og ineffektivitet.

Ny studie: Passiv demultipleksed to‑foton‑tilstander fra en enkelt QD

Forskere ved Universitetet i Innsbruck samarbeidet med et team av ingeniører fra hele verden for å fullføre studien «Passive demultiplexed two‑photon state generation from a quantum dot»¹ publisert i vitenskapstidsskriftet npj Quantum Information denne måneden.

Artikkelen beskriver en passiv kvanteprikk‑demultipleksing‑teknikk som gir forbedret ytelse og stabilitet sammenlignet med sine forgjengere. Arbeidet deres demonstrerer en mer stabil, skalerbar og effektiv metode for å produsere høy‑ytelses kvanteprikker, som kan drive morgendagens mest avanserte teknologier.

Stimulerende to‑foton‑eksitasjon (sTPE): Kjerneideen

I kjernen av arbeidet ligger en optisk teknikk kalt stimulert to‑foton‑eksitasjon. Denne prosessen gjør det mulig for forskerne å bestemme nøyaktig hvordan kvanteprikken skal sende ut lys og når, slik at eksitasjonen kun er begrenset av kvanteprikkens levetid og ikke maskinvare‑ytelse.

Som en del av eksitasjonsprosessen finjusterte ingeniørene presist laser‑pulser for å generere fotonstrømmer i ulike polariserings‑tilstander. Merkverdig eliminerer denne metoden behovet for ekstra maskinvare som aktive bryter‑komponenter.

Merkverdig skaper denne tilnærmingen eksitasjon direkte fra en kvanteprikk uten å kreve noen aktive bryter‑komponenter. Den nye tilnærmingen kombinerer laser‑pulsskjaping, polariserings‑tilpasset pulspaar‑generering, og et kryogenisk mikroskop for å fjerne mange av de tekniske hindringene som har hemmet tidligere kvanteprikk‑eksitasjonsforsøk.

Swipe to scroll →

Inni oppsettet: Bølgelengder, forsinkelser og polariserings‑kontroll

Det første steget i prosessen er å isolere kvanteprikkene. Deretter brukes en femtosekund Ti:Sapphire‑laser i pulser med en resonans på 780,3 nm. To 4f‑pulsskjaper starter spektral‑skjaping av kvanteprikkene, driver dem inn i en bieksiton‑tilstand og trigger foton‑emisjon.

Som en del av prosessen arbeider en polariserende strålesplitter (PBS) i tandem med den spesialbygde pulspaar‑generatoren for å lage både H‑ og V‑polariserte fotoner. Merkverdig benyttet ingeniørene en fiber‑optisk forsinkelse, detektorer og interferometre for å sikre at tidsforskjellene mellom tilstandene ble nøyaktig sporet.

Swipe to scroll →

Eksperimentelle resultater: Renhet, HBT og to‑foton‑utgang

For å teste konseptet startet teamet med å lage kvanteprikker. Artikkelen beskriver hvordan et prøvemateriale av GaAs/AlGaAs‑kvanteprikker ble vokst ved hjelp av molekylær‑stråle‑epitasjon med lokal dråpe‑etsing som første del av testfasen.

Deretter gjennomførte ingeniørene flere tester for å måle kvanteprikkenes ytelse og kvalitet, inkludert registrering av enkelt‑foton‑renheten i eksiton‑emisjonene. Disse testene ble utført med en fiber‑strålesplitter og følsomme skannings‑enheter.

Forskerne noterte nøyaktig kvaliteten på de to uavhengige, ortogonal‑polariserte enkelt‑fotonene som ble oppnådd. Dette trinnet krevde at teamet målte den andre‑ordens korrelasjons‑funksjonen til prikkene.

For å gjennomføre dette oppgaven valgte ingeniørene å bruke et Hanbury Brown and Twiss (HBT)‑oppsett. Denne testen var spesielt designet for å studere foton‑statistikk fra ulike lyskilder.

Resultatene fra dual‑state kvanteprikk‑testene viser løfter for teknologien. Teamet satte stim‑puls til å ankomme ~6 ps etter TPE‑pulsen og viste at brytes‑raten er begrenset av eksiton‑levetiden snarere enn EOM‑maskinvaren. Dette resultatet bekreftet ingeniørenes tro på at den nye metoden kun var begrenset av kvanteprikkens levetid i motsetning til maskinvare‑bryting.

Hvorfor dette er viktig for QKD og fler‑foton‑interferens

Studien gir mange fordeler for markedet. For det første åpner den døren til en dypere forståelse av kvantedatabehandling og dens muligheter. Denne oppdagelsen kan bidra til å drive videre innovasjoner innen kvante‑optikk, halvlederfysikk og fotonisk ingeniørkunst.

Raskere: GHz‑rate drift begrenset av eksiton‑levetid

Denne tilnærmingen lager brukbare kvanteprikker raskere enn tradisjonelle metoder som krever spesialtilpasset og finjustert bryter‑utstyr. Strategien eksiterer kvanteprikkene direkte ved hjelp av lasere i stedet for elektronikk.

Billigere: Ingen EOM‑er, lavere tap og kompleksitet

Fjerning av tidligere bryter‑utstyr reduserer også de samlede kostnadene ved å lage kvanteprikker. Utvikling, drift og vedlikehold av disse enhetene bidro tidligere til de høye kostnadene i kvantedatamaskin‑forskning.

Applikasjoner (QKD, fotonisk QC) og realistisk tidslinje

Det finnes flere applikasjoner for dual‑state kvante‑dataprikk‑teknologi i dag. Disse enhetene representerer et sprang fremover for kvanteteknologier. Prosessen kan drive innovasjon på tvers av flere industrier og hjelpe med å fremskynde adopsjonen av denne banebrytende teknologien.

Forskning: fler‑foton‑interferens & kilde‑benchmarking

En av de viktigste applikasjonene for denne studien er at den vil drive innovasjon i kvantedatabehandlings‑sektoren fremover. Denne siste utviklingen vil hjelpe med å drive fremtidige eksperimenter innen fler‑foton‑interferens, og dypere forståelse av de fundamentale prinsippene som driver kvantemekanikken.

Sikre kommunikasjoner: fler‑part‑QKD & nettverk

En annen stor applikasjon for denne teknologien er innen kommunikasjonssektoren. Kvantekommunikasjon lover høy sikkerhet, massiv data‑overførings‑kapasitet og lavere kostnader. Disse ultra‑sikre kommunikasjonsnettverkene kan tilby nær‑realtids‑kommunikasjon til flere kilder samtidig.

Adopsjons‑tidslinje: Fra lab‑demoer til felttester

Det kan ta rundt 10 år før denne teknologien når allmennheten. Kvantedatamaskiner blir av mange sett på som den naturlige evolusjonen av databehandling. De er imidlertid fortsatt svært dyre og krever maskinvare som kryogene kamre, noe som forblir utenfor budsjettet for de fleste.

Dual State Quantum Dots‑forskere

Studien om Dual State Quantum Dots ble vert av Fotonsik‑gruppen ved Institutt for eksperimentell fysikk ved Universitetet i Innsbruck. Forskningen lister også deltakere fra University of Cambridge, Johannes Kepler University Linz og andre institusjoner.

Spesifikt var Vikas Remesh hovedforsker på studien. Han fikk ytterligere bistand fra Gregor Weihs, Yusuf Karli og Iker Avila Arenas. Finansiering til studien kom fra Austrian Science Fund (FWF), Austrian Research Promotion Agency (FFG) og EU‑s forskningsprogrammer.

Hva er neste: Ingeniørte prikker med vilkårlig lineær polarisation

Fremtiden for dual‑state kvanteprikker kunne ikke vært lysere. Teknologien har sett akselerert forskning etter den vellykkede lanseringen av Aurora‑datamaskinen i år. Nå vil dette teamet søke å skape høy‑ytelses ingeniørte prikker med vilkårlig lineær polarisation.

Investering i kvantedatabehandling

Det finnes flere industriledere i kvantedatabehandlings‑sektoren. Disse selskapene fortsetter å investere millioner i forskning og utvikling, i håp om å gjøre teknologien mer tilgjengelig og kapabel fremover. Her er ett selskap som fortsetter å innovere på nye og spennende måter.

Quantum Computing Inc

Virginia‑baserte Quantum Computing Inc. (QUBT ) gikk inn i markedet i 2018 med mål om å drive kvante‑teknologier og adopsjon fremover. Selskapet fikk umiddelbar støtte fra investorer, og i 2021 ble det notert på NASDAQ. I dag er firmaet en ledende leverandør av kvantedatabehandlings‑maskinvare og -programvare.

Quantum Computing Inc. tilbyr i dag flere kvantedatabehandlings‑løsninger. For eksempel kan Qatalyst‑systemet fullføre komplekse finansielle og logistiske algoritmer, og gi brukerne et konkurransefortrinn. Selskapet tilbyr også tilgang til sitt Reservoir Photonic Computer, som er i stand til å løse de mest komplekse ligningene ved hjelp av lys‑fotoner.

Siste nyheter og utviklinger for Quantum Computing Inc. (QUBT) aksje

Dual State Quantum Dots  Konklusjon

Studien av dual‑state kvanteprikker viser hvordan et samarbeid mellom ledende vitenskapelige institusjoner kan bidra til å løse noen av verdens mest avanserte problemer. Kvantedatabehandling er på vei til å omforme fremtiden på mange måter, og disse ingeniørene har gjort sin del for å sikre at disse enhetene når nye ytelsesnivåer. Av disse grunner og mange flere fortjener disse forskerne en hyllest.

Lær om andre Computing‑gjennombrudd her.

Referanser:

^{1. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C. et al. Passive demultiplexed two‑photon state generation from a quantum dot. npj Quantum Inf 11, 139 (2025). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0}