Исследователи из Университета Бристоля в Великобритании разработали самый маленький в мире квантовый детектор света на кремниевом чипе. Крошечный детектор, толщина которого лишь немного превышает толщину человеческого волоса, может помочь в развитии квантовых технологий, говорится в пресс-релизе университета. По оценкам экспертов, созданный ими квантовый детектор света открывает путь к созданию высокопроизводительных квантовых компьютеров и квантовой связи, делая их значительно быстрее, чем современные устройства.
Устройство, состоящее из двух кремниевых чипов, работающих совместно, использовалось для измерения уникальных свойств “сжатого” квантового света на рекордно высоких скоростях. Сжатый свет - это квантовый эффект, который очень полезен. Он может быть использован в квантовой связи и квантовых компьютерах, уже используется гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO и Virgo для повышения их чувствительности, помогая обнаруживать экзотические астрономические события, такие как слияния черных дыр. Таким образом, совершенствование способов их измерения может оказать большое влияние.
В 1960-х годах в области электроники произошел значительный скачок после того, как ученые превратили большие транзисторы в небольшие микрочипы, которые можно было изготавливать недорого. Поскольку обнаружение светового сигнала или квантовых битов было сведено к минимуму, аналогичная участь теперь может ожидать квантовые компьютеры. Современные разработки квантовых компьютеров - это массивные устройства, для работы которых требуются низкие температуры. Если, как и его двоичный аналог, квантовый компьютер должен быть развернут в больших масштабах, то само устройство должно быть уменьшено в размерах.
Исследовательская группа Университета Бристоля, возглавляемая Джонатаном Мэтьюзом, профессором университета и директором Quantum Engineering Technology Labs, сделала первый шаг к миниатюризации квантового компьютера. Исследователи впервые продемонстрировали результаты своей работы в 2021 году, когда соединили фотонный чип с электронным и увеличили скорость обнаружения квантового света. Три года спустя они объединили эти два компонента на одном чипе, что позволило снизить скорость обнаружения в 10 раз и уменьшить занимаемую площадь в 50 раз.
Квантовый детектор света, встроенный в микросхему, и его схема имеют размеры 0,0031 дюйма (80 микрометров) на 0,0086 дюйма (220 микрометров). Для сравнения, средняя толщина человеческого волоса составляет 0,0019 дюйма (50 микрометров). Как дополнительно указал в пресс-релизе Джонатан Мэтьюз, квантовый детектор известен как гомодинный. Он широко используется в квантовой оптике, поскольку работает при комнатной температуре, и в высокочувствительных датчиках, таких как детекторы гравитационных волн. Преимущество детектора меньшего размера заключается в более быстром обнаружении квантового излучения, что повышает скорость обмена данными внутри системы и, следовательно, общую скорость работы квантового компьютера.
Хотя предпочтительны датчики меньшего размера и более быстрые, они также подвержены воздействию шума. “Ключом к измерению квантового света является чувствительность к квантовому шуму”, - сказал Джакомо Ферранти, преподаватель Бристольского университета, который также принимал участие в работе. “Поведение этого шума раскрывает информацию о том, какой тип квантового излучения распространяется в системе, может определить, насколько чувствительным может быть оптический датчик, и может быть использовано для математического восстановления квантовых состояний”, - добавил Ферранти в пресс-релизе.
В своей работе исследователи стремились продемонстрировать, что уменьшение размера детектора не влияет на его чувствительность к измерению квантовых состояний, и им это удалось. Еще одним важным моментом исследования стала разработка чипа с использованием существующего коммерческого литейного производства, что упростило его внедрение в больших масштабах.
Результаты исследования и выводы исследователей опубликованы в журнале Science Advances .