Ученые Бристольского университета создали самый маленький в мире квантовый детектор света на кремниевом чипе. Это достижение приближает эру оптических квантовых технологий, что может существенно повлиять на развитие высокоскоростной квантовой связи и квантовых компьютеров. Статья опубликована в журнале Science Advances.
Для своей разработки физики использовали коммерчески доступные технологии, в том числе металлооксидные полупроводники(CMOS) и гомодинные детекторы, которые работают при комнатной температуре и используются в приложениях квантовой оптики. Команда смогла реализовать эти детекторы на чипе с электронной схемой размером 80 на 220 микрометров.
Известно, что гомодинные детекторы могут измерять слабые световые сигналы вплоть до однофотонного уровня, интерферируя свет с помощью гетеродина — оптического квантового генератора. Однако сами по себе они не способны выявлять сигнатуры квантового шума, поэтому требуется разработка специализированной усиливающей электроники для реализации гомодинных детекторов, подходящих для квантовых приложений.
Результаты показали, что скоростные характеристики нового детектора увеличились в 10 раз, тогда как занимаемая площадь уменьшилась в 50 раз по сравнению с предыдущими моделями. Устройство продемонстрировало высокую чувствительность к квантовому шуму, что важно для измерения квантовых состояний и разработки оптических квантовых компьютеров.
Квантовый шум представляет собой флуктуации состояния материи из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Одной из форм квантового шума является дробовый шум, связанный со статистикой счета фотонов. Выявление сигнатур этого шума важно для измерения оптического сигнала, и, новый чип способен эффективно это делать благодаря наличию усиливающего электронного компонента.
Ученые отмечают, что хотя данное достижение открывает новые перспективы, предстоит еще много работы по интеграции других квантовых технологий и повышению их эффективности. Например, гомодинные детекторы с более высокой квантовой эффективностью могут быть получены за счет оптимизации конструкции фотонных компонентов и включения электронных компонентов с большей эффективностью, которые уже были отдельно продемонстрированы в классических приложениях.