Фотонные квантовые процессоры — устройства, которые могут обрабатывать информацию, используя квантово-механические эффекты и частицы света (фотоны), — обещают найти применение во многих областях: от вычислений и связи до моделирования сложных квантовых систем.
Однако для использования в реальных условиях такие фотонные чипы должны надёжно интегрировать множество детерминированных и неотличимых однофотонных источников на одном чипе.
Пока что достичь этого оказалось крайне сложно. Большинство разработанных до сих пор фотонных квантовых чипов используют твердотельные однофотонные излучатели, которые ограничены так называемой спектральной диффузией (то есть случайным «блужданием» их частоты излучения).
Это означает, что они редко демонстрируют переходы, ограниченные временем жизни, — условия, при которых цветное распространение фотонов определяется исключительно естественным временем жизни возбуждённого состояния излучателей. Примечательно, что это условие необходимо для надёжной интеграции на чипе неотличимых однофотонных источников.
Новый молекулярный чип
Исследователи из Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Institute of Quantum Technology и Zhejiang University представили новый молекулярный чип, который может преодолеть ограничения ранее представленных фотонных квантовых процессоров.
Их чип, [представленный в статье в Nature Nanotechnology](https://www.nature.com/articles/s41565-025-02043-7), объединяет светоизлучающие одиночные молекулы с одномодовыми волноводами — узкими оптическими компонентами, которые используются в интегральных схемах.
«В [нашей предыдущей работе](https://www.nature.com/articles/s41467-022-31603-x) мы обнаружили, что одиночные органические молекулы, встроенные в монокристаллический нанолист, могут демонстрировать удивительно стабильную эмиссию, ограниченную временем жизни, при подключении к фотонным схемам», — рассказал Phys.org Сюэ-Вэнь Чен, старший автор статьи.
«Это открытие побудило нас разработать молекулярный квантовый фотонный чип, способный размещать несколько неотличимых однофотонных источников параллельно. Настоящее исследование представляет собой первый крупный шаг к реализации этой идеи».
Для создания своего чипа Чен и его коллеги создали два неотличимых однофотонных источника, полученных из двух независимых молекул, встроенных в монокристаллический органический нанолист. Они показали, что излучение этих двух молекул демонстрирует квантово-оптический эффект, известный как интерференция Хонга — Оу — Манделя (HOM), что указывает на их неотличимость.
«Наш молекулярный квантовый фотонный чип построен на гибридной платформе интеграции, которая объединяет молекулярные органические нанолисты, кремний-нитридные фотонные схемы и металлические микроэлектроды», — пояснил Чен.
«Внутри этой архитектуры флуоресцентные молекулы DBT интегрированы в фотонные волноводы с контролируемой ориентацией и положением так, что их излучение может быть эффективно направлено в схему».
Ключевой характеристикой чипа, разработанного исследователями, является то, что каждую из молекул, на которых он основан, можно электрически настраивать. Применяя тщательно откалиброванные электрические поля с помощью электродов на чипе, исследователи показали, что могут сдвигать частоты переходов двух молекул в отдельных волноводных каналах, побуждая их становиться идентичными.
«Каждая молекула затем излучает одиночные фотоны в соответствующий волновод, и эти фотоны направляются к встроенному в чип светоделителю», — сказал Чен.
«На светоделителе фотоны встречаются и подвергаются HOM-интерференции, в результате чего они объединяются в один выходной порт, когда они действительно неотличимы. Измеряя корреляцию второго порядка между двумя выходами светоделителя, мы количественно определяем видимость HOM, которая напрямую отражает, насколько неотличимы фотоны от двух независимых молекул».
Работа Чена и его коллег представляет собой перспективную стратегию интеграции множества неотличимых одиночных фотонов на чипе. В будущем методы, которые они использовали, могут открыть новые возможности для разработки крупномасштабных квантовых фотонных архитектур на основе молекулярных излучателей.
«Сделав этот важный первый шаг, мы можем продолжить реализацию крупномасштабных чипов с многоканальными неотличимыми однофотонными источниками и квантовой интерференцией, тем самым заложив важнейшую основу для достижения масштабируемой оптической обработки квантовой информации», — сказал Чен.
Результаты, опубликованные этими исследователями, вскоре могут вдохновить на разработке новых квантовых процессоров на основе молекулярных излучателей. Тем временем команда работает над улучшением своего молекулярного квантового фотонного чипа и расширением его функциональности.
«В будущем мы планируем расширить платформу для поддержки больших массивов неотличимых однофотонных источников и дополнительно усилить взаимодействие света и вещества с помощью таких структур, как микрополости и волноводы с медленным светом, для повышения эффективности», — добавил Чен.
«Эти достижения позволят реализовать всё более сложные квантовые фотонные функции на чипе, в конечном итоге проложив путь к интегрированным квантовым логическим операциям и масштабируемым архитектурам обработки квантовой информации».