Passiva tvåfotonkvantdots möjliggör säker fotonik

Ingenjörer vid University of Innsbruck, tillsammans med ett team av forskare från flera prestigefyllda institutioner, presenterade en ny metod för att skapa dubbeltillståndskvantdots. Dessa unika skapelser kan uppnå ett biexciton‑tillstånd utan aktiva växlingskomponenter (EOM:er), vilket markerar en betydande milstolpe för kvantteknologier.

Teamets arbete kombinerar år av forskning inom kvantoptik, halvledarfysik och fotonisk ingenjörskonst för att öppna dörren till nästa generations kvantdatorer och kommunikationer. Här är vad du behöver veta.

Fotonisk kvantdator

Fotonisk kvantdator använder ljusfotoner för att uppnå en ny nivå i beräkningsprestanda. Dessa system fungerar genom att överföra fotoner genom specialbyggda optiska element. Dessa komponenter gör det möjligt för enheten att beräkna algoritmer mycket snabbare än andra kvantdatoransatser.

Noterbart meddelade fotonikföretaget Xanadu Aurora den 22 januari 2025 – en modulär, nätverkad fotonisk prototyp byggd av fyra rackmonterade moduler kopplade via fiber (12 fysiska qubits, 35 chip, ~13 km fiber). Den visar en praktisk väg till skalbarhet, inte feltolerans.

Trots sin bättre prestanda är Aurora fortfarande utsatt för många av de traditionella hindren för kvantdatorer, inklusive höga kostnader, tekniska krav och specialiserad hårdvara.

Källa – University of Innsbruck

Varför kvantdots är idealiska enkelfotonkällor

För att övervinna dessa hinder har ingenjörer börjat forska på kvantdots. Dessa halvledare kan leverera deterministisk multiphotontillståndsgenerering, vilket gör dem till de idealiska byggstenarna för qubits i kvantdatorapplikationer.

Noterbart är att kvantdots är nanostrukturer. De är ofta mindre än 10 nanometer i storlek, vilket är cirka 1/10 000 av ett människohår. Dessa mikroskopiska enheter kan ha avgörande egenskaper såsom förmågan att avge enkelfotoner på begäran, vilket gör dem idealiska för kvantapplikationer.

För att excitera kvantdots använder ingenjörer en optisk excitationsmetod driven av ultrahastiga aktiva polariseringsväxlingsmoduler. Denna handling producerar multiphotontillståndet som gör dessa enheter till kärnkomponenter i dagens mest avancerade medicinska avbildningssystem, mikroskopi, nästa generations solceller, LED‑lampor, lasrar, kvantdatorer och mer.

Varför aktiv EOM-demultiplexning begränsar QD‑skalbarhet

Ett av de största problemen med kvantdots idag är att varje dot är unik och avger en något annan färg. Därför krävs användning av högteknologiska moduler för att säkerställa multiphotongenerering. Dessa enheter är komplicerade och dyra. Dessutom kräver de specialiserade ingenjörer för att drivas.

En annan begränsande faktor är hårdvaruprestandan hos dessa växlare. Hittills har alla växlare begränsats av sina fysiska designegenskaper. Enheterna har maximal växlingshastighet som kan sakta ner med tiden när hårdvaran åldras. Dessa scenarier har lett till oönskade prestandaförluster och ineffektivitet.

Ny studie: Passiv demultiplexad tvåfotonstillstånd från en enskild QD

Forskare vid University of Innsbruck samarbetade med ett team av ingenjörer från hela världen för att slutföra studien ”Passive demultiplexed two-photon state generation from a quantum dot”¹ som publicerades i den vetenskapliga tidskriften npj Quantum Information den här månaden.

Papperet beskriver en passiv kvantdots-demultiplexningsteknik som erbjuder förbättrad prestanda och stabilitet jämfört med sina föregångare. Deras arbete visar en mer stabil, skalbar och effektiv metod för att producera högpresterande kvantdots, som kan driva morgondagens mest avancerade teknologier.

Stimulerad tvåfotonexcitation (sTPE): Kärnidén

I kärnan av arbetet ligger en optisk teknik kallad stimulerad tvåfotonexcitation. Denna process gör det möjligt för forskarna att exakt styra hur kvantdoten avger ljus och när, vilket möjliggör excitation som endast begränsas av kvantdotens livslängd och inte av hårdvaruprestanda.

Som en del av excitationsprocessen finjusterade ingenjörer laserpulser för att generera fotonströmmar i olika polarisationstillstånd. Noterbart eliminerar denna metod behovet av extra hårdvara såsom aktiva växlingskomponenter.

Noterbart skapar detta tillvägagångssätt excitation direkt från en kvantdot utan att kräva några aktiva växlingskomponenter. Det nya tillvägagångssättet kombinerar laserpulssformning, polarisation‑anpassad pulspaar‑generering och ett kryogent mikroskop för att eliminera många av de tekniska hindren som försvårade tidigare kvantdotsexcitationsförsök.

Swipe to scroll →

Inuti uppsättningen: Våglängder, fördröjningar och polarisationskontroll

Det första steget i processen är att isolera kvantdots. Därefter appliceras en femtosekundig Ti:Sapphire‑laser i pulser med en resonans på 780,3 nm. Två 4f‑pulshapare påbörjar spektral formning av kvantdots, driver dem till ett biexciton‑tillstånd och triggar fotonutsläpp.

Som en del av processen arbetar en polariserande stråldelare (PBS) i tandem med den specialbyggda pulspaar‑generatorn för att skapa både H‑ och V‑polariserade fotoner. Noterbart använde ingenjörer en fiberoptisk fördröjning, detektorer och interferometrar för att säkerställa att tidsdifferenserna mellan tillstånden spårades exakt.

Swipe to scroll →

Experimentella resultat: Renhet, HBT och tvåfotonutgång

För att testa deras koncept började teamet med att skapa kvantdots. Artikeln beskriver hur ett prov av GaAs/AlGaAs‑kvantdots växte fram med molekylär stråleepitaxi (MBE) och lokal dropplet‑etsning som den första delen av deras testfas.

Därefter genomförde ingenjörerna flera tester för att mäta kvantdotsens prestanda och kvalitet, inklusive registrering av enkelfotonrenhet i exciton‑utsläppen. Dessa tester utfördes med en fiber‑stråldelare och känsliga avläsningsenheter.

Forskarna gjorde exakta anteckningar som beskrev kvaliteten på de två oberoende, ortogonalpolariserade enkelfotonerna som erhölls. Detta steg krävde att teamet mätte den andra ordningens korrelationsfunktion för dotsen.

För att utföra denna uppgift bestämde sig ingenjörerna för att använda en Hanbury Brown and Twiss‑uppsättning (HBT). Detta test var specifikt utformat för att studera fotonstatistik för olika ljuskällor.

Resultaten från de dubbla tillstånds‑kvantdots‑testerna visar löfte för teknologin. Teamet ställde in stim‑pulsen att anlända ~6 ps efter TPE‑pulsen och visade att växlingshastigheten begränsas av exciton‑livstiden snarare än EOM‑hårdvaran. Detta resultat bekräftade ingenjörernas tro på att deras nya metod endast begränsas av kvantdotens livslängd snarare än hårdvaruväxlingskapacitet.

Varför det är viktigt för QKD och multiphotoninterferens

Det finns många fördelar som denna studie ger till marknaden. För det första öppnar den dörren för en djupare förståelse av kvantdatorer och deras möjligheter. Denna upptäckt kan hjälpa till att driva ytterligare innovationer inom kvantoptik, halvledarfysik och fotonisk ingenjörskonst.

Snabbare: GHz‑hastighetsdrift begränsad av exciton‑livstid

Detta tillvägagångssätt skapar användbara kvantdots snabbare än traditionella metoder som kräver specialiserad växlingsutrustning som måste anpassas och finjusteras. Strategin exciterar kvantdots direkt med hjälp av laser snarare än elektronik.

Billigare: Inga EOM:er, lägre förluster och komplexitet

Elimineringen av tidigare växlingsutrustning minskar också de totala kostnaderna för att skapa kvantdots. Utveckling, drift och underhåll av dessa enheter bidrog tidigare till de totala kostnaderna för kvantdatorforskning.

Tillämpningar (QKD, fotonisk kvantdator) och realistisk tidslinje

Det finns flera tillämpningar för dubbla tillstånds‑kvantdots idag. Dessa enheter representerar ett språng framåt för kvantteknologier. I synnerhet kan detta förfarande hjälpa till att driva innovation inom flera industrier och främja antagandet av denna banbrytande teknik.

Forskning: multiphotoninterferens och källbenchmarking

En av de viktigaste tillämpningarna för denna studie är att den kommer att driva innovation inom kvantdatorssektorn framåt. Den senaste utvecklingen kommer att hjälpa till att driva framtida experiment inom multiphotoninterferens, vilket fördjupar forskarnas förståelse av de grundläggande principerna som driver kvantmekanik.

Säker kommunikation: flerparti‑QKD och nätverk

En annan stor tillämpning för denna teknik är inom kommunikationssektorn. Kvantkommunikation lovar hög säkerhet, enorma datatransmissionskapaciteter och lägre kostnader. Dessa ultrasäkra kommunikationsnätverk kan erbjuda nästan realtidskommunikation till flera källor samtidigt.

Antagandetidslinje: från labbdemonstrationer till fältpiloter

Det kan ta omkring 10 år innan denna teknik når allmänheten. Kvantdatorer ses av många som den naturliga utvecklingen av databehandling. De är dock fortfarande mycket dyra och kräver hårdvara såsom kryogena kamrar, vilket ligger utanför budgeten för de flesta.

Forskare bakom dubbla tillstånds‑kvantdots

Studien om dubbla tillstånds‑kvantdots leddes av Photonics Group vid Institutionen för experimentell fysik vid University of Innsbruck. Forskningen listar även deltagare från University of Cambridge, Johannes Kepler University Linz och andra institutioner.

Specifikt var Vikas Remesh studiens huvudforskare. Han fick ytterligare hjälp av Gregor Weihs, Yusuf Karli och Iker Avila Arenas. Finansieringen för studien kom från Austrian Science Fund (FWF), Austrian Research Promotion Agency (FFG) och Europeiska unionens forskningsprogram.

Vad blir nästa steg: konstruerade dots med godtycklig linjär polarisation

Framtiden för dubbla tillstånds‑kvantdots kunde inte vara ljusare. Denna teknik har sett accelererad forskning efter den framgångsrika lanseringen av Aurora‑datorn i år. Nu kommer teamet att försöka skapa högpresterande konstruerade dots med godtyckliga linjära polarisationstillstånd.

Investera i kvantdatorer

Det finns flera branschledare inom kvantdatorssektorn. Dessa företag fortsätter att investera miljoner i forskning och utveckling i hopp om att göra teknologin mer tillgänglig och kapabel framöver. Här är ett företag som fortsätter att innovera på nya och spännande sätt.

Quantum Computing Inc

Det Virginia-baserade företaget Quantum Computing Inc. (QUBT ) gick in på marknaden 2018 med målet att driva kvantteknologier och antagande framåt. Företaget fick omedelbart stöd från investerare, och 2021 noterades det på NASDAQ. Idag är företaget en ledande leverantör av hårdvara och mjukvara för kvantdatorer.

Quantum Computing Inc. erbjuder för närvarande flera kvantdatorlösningar. Till exempel kan Qatalyst‑systemet slutföra komplexa finansiella och logistiska algoritmer, vilket ger användarna ett konkurrensfördel. Företaget erbjuder också tillgång till sin Reservoir Photonic Computer, som kan lösa de mest komplexa ekvationerna med hjälp av ljusfotoner.

Senaste nyheter och utveckling för Quantum Computing Inc. (QUBT) aktie

Dubbla tillstånds‑kvantdots  Slutsats

Studien om dubbla tillstånds‑kvantdots visar hur ett samarbetsprojekt mellan ledande vetenskapliga institutioner kan hjälpa till att lösa några av världens mest avancerade problem. Kvantdatorer kommer att omforma framtiden på många sätt, och dessa ingenjörer har gjort sin del för att säkerställa att dessa enheter når nya prestandanivåer. Av dessa skäl och många fler förtjänar dessa forskare en hyllning.

Läs om andra genombrott inom beräkning här.

Referenser:

^{1. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C. et al. Passiv demultiplexad tvåfotonstillståndsgenerering från en kvantdots. npj Quantum Inf 11, 139 (2025). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0}