Запутанные фотоны — рабочие лошадки квантовых технологий: они нужны для квантовых вычислений, защищённой связи и сверхчувствительных измерений. Большинство современных источников требуют громоздкого внешнего лазера для оптической накачки, что мешает масштабированию. Работа стоит рядом с усилиями по интеграции источников на чипы: соседи используют тонкоплёночный ниобат лития, кремний и нитрид кремния, но почти все они остаются с внешней накачкой. Первый полностью чиповый источник на основе спонтанного четырёхволнового смешения в нитриде кремния был тусклым и узкополосным. Наша работа закрывает этот разрыв: электрическая накачка, поляризационная запутанность и рекордная яркость в одном устройстве.
Сердце устройства — гибридная интеграция распределённого брэгговского лазера (DFB) на 780 нм и фотонной схемы на тонкоплёночном ниобате лития (TFLN). Лазер встык состыкован с волноводом на чипе; его ток накачки 40 мА даёт 7.5 мВт выходной мощности. Свет делится многомодовым интерферометром (MMI) на два канала, каждый из которых проходит через периодически поляризованный волновод из ниобата лития (PPLN) длиной 6 мм. Там в процессе спонтанного параметрического рассеяния (SPDC) рождаются пары фотонов на 1559 нм. Затем поляризационный ротатор-объединитель (PRC) превращает горизонтально поляризованные пары из нижнего волновода в вертикально поляризованные и объединяет их с верхним каналом. Получается состояние вида |ψ⟩ = α|$H_sH_i$⟩ + βe^{iφ}|$V_sV_i$⟩, которое при равенстве амплитуд становится максимально запутанным. Температурная подстройка чипа до 67 °C совмещает фазовый синхронизм с длиной волны лазера.
При мощности накачки на чипе 18.8 мкВт измерена яркость 6.2×10⁸ пар/с/нм/мВт, что даёт скорость генерации пар 4.5×10¹⁰ пар/с/мВт в полосе 73 нм. Это на шесть порядков выше, чем у предыдущего электрически накачанного источника на нитриде кремния, и на порядок шире по спектру. Квантовая томография состояния в трёх парах частотных каналов (1584.53/1534.25 нм, 1571.24/1546.92 нм, 1567.95/1550.12 нм) показала верность состояния Белла 0.965, 0.971 и 0.969 соответственно. Нарушение неравенства Белла подтверждено видимостями выше 0.97 в горизонтально-вертикальном и диагональном базисах. Устройство размером 15×20 мм² работает при комнатной температуре и питается от портативной батареи.
Работа отличается от соседей тем, что впервые объединяет электрическую накачку, поляризационную запутанность без постселекции и рекордную яркость на платформе тонкоплёночного ниобата лития. Предыдущие интегрированные источники либо требовали внешнего лазера, либо давали только временную запутанность, либо были на порядки слабее. Здесь лазер и нелинейный материал живут на одном кристалле, а поляризационный ротатор-объединитель изготовлен тем же техпроцессом, что и волноводы. Это шаг к полностью автономным квантовым системам на чипе.
Следующий рубеж — полная монолитная интеграция: перенос лазера на тот же чип через wafer bonding или микроперенос, чтобы убрать стыковку и повысить эффективность ввода света. Дальше можно интегрировать модуляторы, фильтры и детекторы на той же платформе ниобата лития, создав квантовый чип «всё в одном». Мультиплексирование по длинам волн откроет путь к многоканальным источникам для квантовых сетей.
Технология напрямую влияет на квантовую связь: спутниковые линии, оптоволоконные сети и квантовое распределение ключей. Также она ускорит создание квантовых датчиков и метрологических приборов.
Оптимизировать геометрию поляризационного ротатора для снижения потерь и повышения поляризационного контраста. Проверить работу источника в полевых условиях с батарейным питанием.
В квантовой фотонике остаётся нерешённой проблема масштабируемости: как наращивать число запутанных фотонов без экспоненциального роста потерь и нестабильности. Наш источник решает часть задачи — компактность и яркость, но открытым остаётся вопрос интеграции детекторов и управляющей электроники на том же чипе.
Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.
Что сделано в работе
Работа представляет гибридный источник запутанных фотонов на чипе: DFB-лазер на 780 нм интегрирован с фотонной схемой на тонкоплёночном ниобате лития. При токе накачки 40 мА получена яркость 4.5×10¹⁰ пар/с/мВт в полосе 73 нм, верность состояния Белла более 96% в нескольких частотных каналах.
В чём сила
Впервые объединены электрическая накачка, поляризационная запутанность без постселекции и рекордная яркость на платформе тонкоплёночного ниобата лития, что открывает путь к полностью автономным квантовым системам на чипе.
Куда можно двигаться
Что можно попробовать
Почему это может быть важно
Полностью интегрированный источник запутанных фотонов с электрической накачкой может стать ключевым компонентом для масштабируемых квантовых коммуникаций и вычислений, устраняя необходимость во внешних лазерах и снижая сложность систем.
Работы рядом в нашем архиве
Вокруг этой работы в архиве пусто: ближайший разбор всего на 0.57, при обычных 0.64. Похоже, рядом почти не бурили.
Ширина полосы 73 нм эквивалентна примерно 9 терагерцам — это в тысячи раз шире, чем у лучших однофотонных источников на квантовых точках.