Физики из Оксфордского университета установили новый мировой стандарт точности управления одиночным квантовым битом (кубитом), добившись рекордно низкого уровня ошибок для квантовой логической операции — всего 0,000015%, или одна ошибка на 6,7 миллиона операций. Это почти на порядок лучше предыдущего рекорда, установленного той же исследовательской группой десять лет назад.
Для сравнения: вероятность попадания человека в грозу в течение года составляет примерно 1 к 1,2 миллиона. Вероятность ошибки в квантовых логических воротах Оксфордской группы — 1 к 6,7 миллиона.
Результаты, которые будут опубликованы в журнале Physical Review Letters, являются значительным шагом вперёд на пути к созданию надёжных и полезных квантовых компьютеров.
Профессор Дэвид Лукас, соавтор статьи из физического факультета Оксфордского университета, сказал: «Насколько нам известно, это самая точная операция с кубитом, когда-либо зарегистрированная в мире. Это важный шаг на пути к созданию практических квантовых компьютеров, способных решать реальные задачи».
Первый поверхностно-излучающий лазер с использованием квантовых точек нацелен на волоконно-оптическую связь
Национальный институт информационных и коммуникационных технологий Японии в сотрудничестве с корпорацией Sony Semiconductor Solutions (Sony) разработали первый в мире практически применимый поверхностно-излучающий лазер, использующий квантовые точки (QD) в качестве среды оптического усиления для систем волоконно-оптической связи.
Это достижение стало возможным благодаря технологии высокоточного выращивания кристаллов NICT и передовым технологиям обработки полупроводников Sony. Поверхностно-излучающий лазер, разработанный в рамках этого исследования, включает наноразмерные полупроводниковые структуры, называемые квантовыми точками, в качестве светоизлучающих материалов.
Результаты этого исследования опубликованы в Optics Express.
Современные коммуникационные технологии требуют передачи данных большой ёмкости при минимальном энергопотреблении. Вертикально-полостные поверхностно-излучающие лазеры (VCSEL) привлекли значительное внимание как ключевая технология, отвечающая этим требованиям, особенно в области оптической связи.
Однако VCSEL обычно работают в ближнем инфракрасном диапазоне на длинах волн 850 или 940 нм. Разработка VCSEL, работающих на длинной волне 1550 нм, обычно используемой в существующих системах волоконно-оптической связи, представляет значительные технические трудности.
В рамках совместного исследовательского проекта с Sony NICT впервые в мире создали электрически управляемый VCSEL, работающий на длине волны 1550 нм — стандартной для волоконно-оптической связи, используя наноразмерные полупроводниковые структуры, известные как квантовые точки, в качестве материала для оптического усиления.
NICT разработала первую ключевую технологию: метод высокоточного выращивания кристаллов для сложных полупроводников с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии. Для изготовления VCSEL требуется вырастить высокоотражающую многослойную плёнку полупроводника (DBR: Distributed Bragg Reflector) для усиления интенсивности света; однако изготовление DBR, работающих на длине волны 1550 нм, было сложной задачей из-за ограниченности комбинаций материалов, которые можно вырастить.
Исследователи разработали технологию точного выращивания DBR путём строгого контроля соотношения материалов при выращивании кристаллов и создали полупроводниковый DBR с высокой отражательной способностью, превышающей 99% даже на длине волны 1550 нм. Кроме того, для производства VCSEL были применены методы компенсации напряжений, чтобы точно компенсировать внутреннюю кристаллическую деформацию (деформацию, возникающую внутри материала), возникающую вокруг квантовых точек, тем самым значительно увеличив плотность квантовых точек и улучшив светоизлучающие характеристики.
Sony внесла свой вклад во вторую ключевую технологию: процесс проектирования и изготовления устройств, который обеспечивает высокоэффективную инжекцию тока с использованием структуры, называемой туннельным переходом. VCSEL излучают свет перпендикулярно поверхности пластины; поэтому, даже если квантовые точки излучают свет, традиционное размещение электродов препятствует извлечению света. Sony решила эту проблему, реализовав структуру туннельного перехода, которая обеспечивает эффективный ток при одновременном облегчении извлечения света с помощью точного технологического процесса.
Благодаря интеграции этих двух технологий команде удалось создать лазерные VCSEL с использованием квантовых точек на длине волны 1550 нм в качестве светоизлучающего материала при малом токе 13 мА (низкий порог). Кроме того, были устранены флуктуации поляризации, что привело к стабильному выходу.
VCSEL, использующие квантовые точки в качестве материала для оптического усиления, демонстрируют отличную температурную стабильность. Кроме того, VCSEL имеют масштабируемую структуру, которая позволяет массовое производство. Ожидается, что эти характеристики позволят повысить производительность, снизить стоимость и повысить выходную мощность за счёт интеграции лазеров для оптической связи в диапазоне длин волн.
Исследователи стремятся провести углублённые технические исследования технологии VCSEL на основе квантовых точек для дальнейшего повышения производительности и снижения энергопотребления в системах волоконно-оптической связи после эры 5G. Одновременно они будут предпринимать усилия по содействию социальному внедрению этой технологии.