Один из перспективных путей создания масштабируемого квантового компьютера основан на применении полностью оптической архитектуры, в которой кубита представлены фотонами, а управление ими осуществляется зеркалами и расщепителями лучей. До сих пор исследователям удавалось продемонстрировать такой подход — Linear Optical Quantum Computing — только для самых элементарных структур из нескольких фотонов.

В новой работе, представленной в журнале Nano Letters, авторы из Делфтского технологического университета (Нидерланды) предложили способ полной интеграции источников одиночных фотонов в оптические цепи, для создания интегральных квантовых схем, поддерживающих масштабируемые оптические квантовые вычисления.

Главной проблемой при этом была интеграция нескольких компонентов, обычно несовместимых друг с другом: однофотонных источников (квантовые точки); устройств маршрутизации (волноводы); средств манипулирования фотонами (оптические полости, фильтры и квантовые вентили); детекторов индивидуальных фотонов.

Авторы экспериментально продемонстрировали метод, позволяющий внедрять квантовые точки в нанопровода, а те, в свою очередь, заключать в волновод. Требуемую точность при таких операциях обеспечило использование наноманипулятора — вольфрамового острия, служащего для перемещения и выравнивания компонентов.

Внутри волновода одиночные фотоны могут избирательно направляться в разные части оптической схемы для выполнения логических операций.

Этот гибридный метод, в отличие от предлагавшихся прежде, является полностью детерминистическим, то есть он интегрирует в фотонные схемы только квантовые источники с нужными свойствами.

Достигнутая эффективность соединения источника с фотонным каналом составляет около 24%. Это считается на сегодняшний день неплохим результатом, но авторы планируют в дальнейшем улучшить его до 92% путём оптимизации конструкции волновода и подбора материалов. Они также рассчитывают продемонстрировать на базе такого чипа квантовое перепутывание, и увеличить сложность фотонных схем и детекторов.