Quantum integrated photonics

• Autorzy: Romaniuk Ryszard

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2023.8.4

Warianty tytułu

PL

Kwantowa fotonika scalona

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Quantum integrated photonics (QIP) is one of the technological and system options for building quantum networks and compu ters. The carrier of multilateral, multidimensional quantum infor mation, in the state of coherent superposition and entanglement/ hyper-entanglement, is a single, most often heralded, or deter ministic photon or a cluster of photons. The material substrates for the operation of a photon qubit/qudit are photonic integrated circuits (PICs) and optical fibres. In such an environment, photons as qubits or qudits are generated, modulated and demodulated, transmitted and detected. Unlike other qubit technologies, the photon as a flying qubit is transformed reversibly in a material medium to a stationary form in resonant absorption and emission with the preservation of quantum information. The photon, as the only qubit/qudit, in zero time in its frame of reference, trans mits quantum information in the vacuum between the emission and absorption. The QIP technology potential results from the possibility of performing all quantum operations on the photon qubit/qudit using linear optics methods. These operations inc lude qubit operations in the time, frequency and space domains and the implementation of quantum gate logic. Quantum error correction, photon quality determination, indistinguishability, en tanglement distribution and distillation are possible. Hybrid, in terms of material, QIP systems, consisting of quantum-connec ted PICs, have the potential to implement universal computers and quantum networks. The paper is part of a cycle related to a lecture for PhD students on Quantum Information Technologies and Quantum Biophotonics.

PL

Kwantowa fotonika scalona (KFS) jest jedną z opcji technologicz nych i systemowych budowy kwantowych sieci i komputerów. Nośnikiem wielostronnej, wielowymiarowej informacji kwantowej w stanie koherentnej superpozycji, splątania i hipersplątania jest pojedynczy, najczęściej zwiastowany, lub deterministyczny foton lub klaster fotonów. Podłożem materialnym dla działania kubitu lub kuditu fotonowego są fotoniczne układy scalone (FUS) i światło wody. W takim środowisku fotony jako kubity lub kudity są genero wane, modulowane i demodulowane, transmitowane i detekowane. W odróżnieniu od innych technologii kubitowych foton jako ku bit lotny transformuje się, w ośrodku materialnym, w odwracalny sposób, do postaci stacjonarnej w akcie rezonansowej absorpcji i emisji z zachowaniem informacji kwantowej. Foton, jako jedyny kubit/kudit, w zerowym czasie w jego układzie odniesienia, trans mituje informację kwantową w próżni pomiędzy aktami emisji i absorpcji. Potencjał technologii KFS wynika z możliwości realiza cji na kubicie/kudicie fotonowym wszystkich operacji kwantowych metodami optyki liniowej. Te operacje obejmują operacje na kubi cie w domenach czasu, częstotliwości i przestrzeni, oraz realizację kwantowej logiki bramkowej. Możliwa jest korekcja błędów kwan towych, określanie jakości fotonów, nierozróżnialności, dystrybucja i destylacja splątania. Hybrydowe, pod względem materiałowym, systemy KFS, składające się z połączonych kwantowo FUS posia dają potencjał realizacji uniwersalnych komputerów i sieci kwan towych. Artykuł jest częścią cyklu związanego z wykładami dla doktorantów na temat Kwantowych Technologii Informacyjnych i Biofotoniki Kwantowej.

Słowa kluczowe

EN

quantum teleinformatics; quantum communication; optical quantum processors; quantum networks; quantum computing; quantum information technologies

PL

optyczny procesor kwantowy; teleinformatyka kwantowa; telekomunikacja kwantowa; procesor kwantowy; sieci kwantowe; komputing kwantowy; kwantowe techniki informacyjne

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 64, Nr 8
• Strony: 17--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz.

Twórcy

autor

Romaniuk Ryszard

• Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] E.Knill, R.Lafamme, G.J.A.Milburn, 2001, A scheme for efficient quantum computation with linear optics, Nature 409, 46-52.
• [2] M.Hein et al. 2006, Entanglement in graph states and its applications, arXiv:0602096.
• [3] P.Kok, et al. 2007, Linear optical quantum computing, Rev.Mod. Phys. 79, 135.
• [4] A.J.Shields, 2007, Semiconductor quantum light sources, Nature Photonics 1(4), 215-223.
• [5] A.Politi et al. 2008, Silica on silicon waveguide quantum circuits, Science 320, 646-649.
• [6] Ch.M.Natarajan et al. 2012,Superconducting nanowire single-photon detectors: physics and applications, arXiv:1204.5560.
• [7] I. J. Luxmoore et al. 2013, III-V quantum light source and cavity-QED on silicon, Sci. Rep. 3, 1239.
• [8] H.Takesue, et al. 2013, An on-chip coupled resonator optical waveguide single-photon buffer, Nat. Commun. 4, 2725.
• [9] M.Loncar et al. 2013, Quantum photonic networks in diamond, MRS Bull. 38(2) 144-148, doi:10.1557/mrs.2013.19.
• [10] G. Jongbum Kim et al. 2013, Plasmonic Resonances in Nanostructured Transparent Conducting Oxide Films,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19(3), 4601907.
• [11] A. Korneev et al. 2015, Photonic integration meets single-photon detection, Laser Focus World 51, 47-50.
• [12] M. Bazzan et al. 2015, Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications, Appl.Phys. Rev. 2, 040603.
• [13] B. Lienhard et al. 2016, Bright and photostable single-photon emitter in silicon carbide, Optica 3(7), 768.
• [14] T. Schröder et al. 2016, Quantum nanophotonics in diamond, JOSA B 33(4), B65.
• [15] L.Pavesi et al. 2016, Silicon photonics III: systems and applications, Springer, ISBN 978-3-642-10502-6, doi:10.1007/978-3-642-10503-6.
• [16] O.Alibart et al. 2016, Quantum photonics at telecom wavelengths based on lithium niobate waveguides, J.Opt. 18, 104001, doi:10.1088/2040-8978/104001.
• [17] J.Wang et al. 2016, Chip-to-chip quantum photonic interconnect by path-polarization interconversion, Optica 3(4) 407-413, doi:10.1364/OPTICA.3.000407.
• [18] C.P.Dietrich et al. 2016, GaAs integrated quantum photonics: towards compact and multi-functional quantum photonic integrated circuits, Laser Photonics Rev. 10, 870-894.
• [19] J.Silverstone et al. 2016, Silicon quantum photonics, arX iv:1707.02334.
• [20] R.Santagati et al. 2017, Silicon photonic processor of two-qubit entangling quantum logic, J.Opt. 19, 114006, doi:10.1088/2040-8986/aa8d56.
• [21] S.Bogdanov et al. 2017, Material platforms for integrated quantum photonics, Opt.Mat.Expr. 7(1) 111, doi:10.1364/OME.7.000111.
• [22] M.A.Ciampini et al. 2017, Experimental nonlocality-based network diagnostics of multipartite entangled states. Sci. Rep. 7, 17122.
• [23] J.Wang et al. 2018, Multidimensional quantum entanglement with large-scale integrated optics. Science 360, eaar7053.
• [24] C.Taballione et al. 2018, Reconfigurable quantum photonic processor based on silicon nitride waveguides, arXiv:1805.10999.
• [25] I.I.Faruque et al. 2018, On-chip quantum interference with heralded photons from two independent micro-ring resonator sources in silicon photonics, Opt. Express 26, 20379-20395.
• [26] X.Gu, 2019, Quantum experiments and graphs II: quantum interference, computation, and state generation. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 4147-4155, part I, Phys.Rev.Lett 119, 240403, 2017.
• [27] J.C.Adcock et al. 2019, Programmable four-photon graph states on a silicon chip, Nature Commun. 10:3528, doi:10.1038/ s41467-019-11489-y.
• [28] M.Jonnson et al. 2019, Evaluating and performance of photon-number resolving detectors, Phys.Rev.A 99(4), 043822, doi:10.1103/PhysRevA.99.043822.
• [29] L. Splitthoff et al. 2020, Tantalum pentoxide nanophotonic cir cuits for integrated quantum technology, Optics Express, 28(8) 11921-11932.
• [30] A.W.Elshaari et al. 2020, Hybrid integrated quantum photonic circuits, Nature Photonics 14(5), 285-298, doi:10.1038/s41566- 020-0609-x.
• [31] X.Chen et al. 2021, Quantum entanglement on photonic chips: a review, SPIE Advanced Photonics 3(6), 064002-1, doi:10.1117/1.AP.3.6.064002].
• [32] A.B.D.Shaik et al. 2021, Optical quantum technologies with hexagonal boron nitride single photon sources, Sci.Rep. 11, 12285.
• [33] G.Moody et al. 2022 Roadmap on integrated quantum photonics, JPhys, Photonics 4, 012501, doi:10.1088/2515-7647/ac1ef4.
• [34] Y.Chi et al. 2022, A programmable qudit-based quantum processor, Nature Comm. 13:1166, doi:10.1038/s41467-022-28767-x.
• [35] J.Yan et al. 2022, Complete active-passive photonic integration based on GaN-on-silicon platform, Adv.Photonics 2(4), doi: 10.1117/1.APN.2.4.046003.
• [36] T.Giordani et al. 2023, Integrated photonics in quantum technologies, Springer, LRdNC 46:71-103, doi:10.1007/s40766-023- 00040-x.
• [37] Z.Zhou et al. 2023, Prospects and applications of on-chip lasers, eLight 3(1), doi:10.1186/s43593-022-00027-x.
• [38] J.Bao et al. 2023, Very large-scale integrated quantum graph photonics, Nature Photonics 17(7) 573-581, doi:10.1038/ s41566-023-01187-z.
• [39] M.Benyoucef et al. 2023, Telecom wavelengths InP-based quantum dots for quantum communication, Wiley Online Library, Phot.Quant.Tech, ch.18, doi: 10.1002/9783527837427.ch18.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).