Фотоника на чипе: будущее квантовых технологий

Современные технологии развиваются по пути миниатюризации и интеграции компонентов в компактные схемы, что позволяет создавать эффективные решения для информационных и вычислительных систем. Фотоника на чипе становится ключевым направлением для новых достижений в квантовых вычислениях и коммуникациях. В основе этого подхода лежит использование света в качестве носителя информации, что открывает путь к инновационным методам обработки данных с высокой скоростью и низким энергопотреблением. Исследования подчеркивают достижения ведущих организаций Sandia National Laboratories и Университет штата Аризона в этой области.

Исследования фотоники на чипе

В рамках сотрудничества Sandia National Laboratories и Университета штата Аризона (Arizona State University) были достигнуты значительные успехи в разработке технологий фотоники на чипе. Основная идея состоит в уменьшении объемных оптических систем до размеров микрочипов за счет использования интегрированных фотонных технологий. В этих микросистемах свет используется для обработки квантовой информации.  

Одна из главных целей этой работы — реализовать переход от масштабных волоконно-оптических систем к фотонным чипам. Такой переход обеспечивает:  

• Минимизацию потерь данных. Оптические сигналы передаются с меньшими потерями на чипах, чем в существующих волоконно-оптических системах.  

• Уменьшение размеров оборудования. Ранее квантовые системы требовали оптических столов размером в квадратный метр. Теперь это можно заменить небольшими чипами, интегрирующими всю необходимую функциональность.  

• Снижение стоимости и энергопотребления. Использование световых частот как переносчиков информации минимизирует энергетические затраты.  

Ключевые преимущества фотоники на чипе

Фотонные чипы предлагают ряд преимуществ, благодаря которым их применение выходит за пределы традиционных оптических вычислений:

• Скорость и эффективность. Использование фотонов вместо электронов позволяет достичь высокоскоростной передачи данных со снижением тепловых потерь.

• Компактность и интеграция. Материалы, такие как кремний, обеспечивают возможность использования существующих технологий производства полупроводниковых устройств для создания фотонных чипов.

• Пониженное энергопотребление. По сравнению с традиционной электроникой, работа с фотонами требует меньше энергии.

• Квантовые приложения. Фотоника на чипе способна повысить масштабируемость квантовых вычислительных систем, что чрезвычайно важно на пути их коммерциализации.

Как фотоника продвигает квантовые технологии

Квантовые вычисления развиваются стремительными темпами, но на пути стоят проблемы масштабируемости и стабильности квантовых систем. Перенос фотонных компонентов на чипы позволяет:

• Создавать более компактные квантовые системы.

• Обеспечивать стабильное управление состояниями запутанности, что важно для эффективных квантовых вычислений.

• Повышать точность и производительность квантовых сенсоров и коммуникаций.

Исследования также показывают, что фотонные чипы могут стать ключевыми элементами в развитии квантово-защищенной связи, например, через квантовое распределение ключей (QKD).

В Nature Photonics многочисленные исследования указывают на то, что гибридные схемы, сочетающие оптику и электронику, могут обеспечить более высокую степень архитектурной модульности.

Современные применения фотоники на чипе

Технологии уже показывают значительный практический потенциал. Применение можно разделить на следующие направления:

• Оптические коммуникации. Переход к фотонным системам, например, для более эффективной передачи данных на дата-центрах.

• Квантовые вычисления. Например, компании вроде IBM и Xanadu активно рассматривают интеграцию фотонных решений.

• Сенсорика. Высокоточные оптические датчики, используемые в медицине и энергетике, получают выгоду от повышенной чувствительности фотонных схем.

Согласно работе исследовательской группы из MIT, фотонные и квантовые чипы используются для создания сенсоров, применяемых в системах автономного транспорта или в биологических исследованиях.

Фотонные квантовые кубиты  

Sandia National Laboratories разработали метод преобразования одного частотного диапазона света в два различных — для представления нуля и единицы в квантовых вычислениях. Это стало возможным благодаря использованию фазовых модуляторов и новых материалов, таких как подвешенные кремниевые волноводы.  

Устройство позволяет:  

• Разделять фотон на несколько частот, обеспечивая работу с высокоразмерными пространствами данных.  

• Воплощать фотонные кубиты на чипах.  

Новые высокоэффективные фазовые модуляторы позволили разработать устройства, где информация кодируется световыми частотами для будущей интеграции в масштабные квантовые сети.

Будущее и вызовы

Несмотря на стремительное развитие, перед фотоникой на чипе стоят и вызовы:

• Проблема интеграции фотонных компонентов с традиционными чипами на базе полупроводников.

• Сложные требования к производству кремниевых квантовых чипов.

• Повышение точности обработки данных внутри фотонных вычислений.

Ключом к решению проблемы стоимости может стать увеличение массового производства и стандартизация производственных процессов.

Фотоника на чипе – это одно из самых перспективных направлений развития технологий. Она открывает новые возможности как для квантовых вычислений, так и для других высокотехнологичных отраслей. Масштабируемость, энергоэффективность и уникальные свойства света предоставляют огромный потенциал для реализации идей, которые ранее считались невозможными.

Если развитие фотоники будет продолжаться с таким же ускорением, как в последние годы, она может стать ключевой технологией XXI века, изменившей подход к решению сложнейших задач вычислительной и коммуникационной отраслей.