光量子コンピューターチップを実現するヒートフリーの光スイッチ

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(Heat-free optical switch would enable optical quantum computing chips)

2021/3/3 スウェーデン王国・王立工科大学(KTH)

figure1

・ KTH が、熱の代わりに MEMS(微小電気機械システム)のアクチュエーションで再構成する光スイッチを開発。
・ 熱を発することなく単一光子を制御・操作する手段を提供し、熱に弱い単一光子検出器との同一チップ上での統合の可能性が期待できる。
・ 現在、単一光子が半導体材料に吸収される際に発する熱を測定することで光子を検出する量子検出器を使用しているが、半導体チップ内部で光導波路を局所的に熱することで作動する現行の光スイッチが利用できない。
・ 新光スイッチは、半導体チップを熱することなく単一光子を制御・操作し、単一光子検出器に必要な低温度を維持しながら同一チップ上での光スイッチングと光子の検出を可能にする。
・ 安全なメッセージの暗号化技術や優れた演算能力、また、新材料や新薬開発につながる自然界の基本的な法則の理解を可能にするシミュレーションツール等の量子技術に向けた、光集積回路の全構成要素の統合を支援する。
・ アクチュエーションの電圧低減等の改善をさらに進め、従来のエレクトロニクスへの適合と、すでにオンチップオプティクスを製造する半導体ファウンドリへの同光スイッチ製造プロセスの導入を目指す。これは、量子技術に適した規模の量子光回路作製に不可欠なステップとなる。
・ 本研究には、EU Horizon 2020 の「S2QUIP」量子フラッグシッププロジェクトグラント、スウェーデン研究会議、Knut and Alice Wallenberg Foundation、上オーストリア州およびオーストリア科学財団が資金を提供した。
URL: https://www.kth.se/en/aktuellt/nyheter/heat-free-optical-switch-would-enable-optical-quantum-computing-chips-1.1054599

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature Communications 掲載論文(フルテキスト)
Reconfigurable photonics with on-chip single-photon detectors
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-021-21624-3

Abstract

Integrated quantum photonics offers a promising path to scale up quantum optics experiments by miniaturizing and stabilizing complex laboratory setups. Central elements of quantum integrated photonics are quantum emitters, memories, detectors, and reconfigurable photonic circuits. In particular, integrated detectors not only offer optical readout but, when interfaced with reconfigurable circuits, allow feedback and adaptive control, crucial for deterministic quantum teleportation, training of neural networks, and stabilization of complex circuits. However, the heat generated by thermally reconfigurable photonics is incompatible with heat-sensitive superconducting single-photon detectors, and thus their on-chip co-integration remains elusive. Here we show low-power microelectromechanical reconfiguration of integrated photonic circuits interfaced with superconducting single-photon detectors on the same chip. We demonstrate three key functionalities for photonic quantum technologies: 28 dB high-extinction routing of classical and quantum light, 90 dB high-dynamic range single-photon detection, and stabilization of optical excitation over 12 dB power variation. Our platform enables heat-load free reconfigurable linear optics and adaptive control, critical for quantum state preparation and quantum logic in large-scale quantum photonics applications.

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