論文の概要: Scalable Feedback Stabilization of Quantum Light Sources on a CMOS Chip

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.05921v1
• Date: Fri, 08 Nov 2024 19:10:12 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-11-12 14:08:56.474013
• Title: Scalable Feedback Stabilization of Quantum Light Sources on a CMOS Chip
• Title（参考訳）: CMOSチップ上の量子光源のスケーラブルフィードバック安定化
• Authors: Danielius Kramnik, Imbert Wang, Anirudh Ramesh, Josep M. Fargas Cabanillas, Ðorđe Gluhović, Sidney Buchbinder, Panagiotis Zarkos, Christos Adamopoulos, Prem Kumar, Vladimir M. Stojanović, Miloš A. Popović,
• Abstract要約: シリコンフォトニクスは、有用な量子情報処理に必要な大量の物理量子ビットを実現するための主要なプラットフォームである。 シリコン量子フォトニック集積回路の実用化とスケールアップへの挑戦は、プロセスや温度変化に対する極度な感度を制御する必要があることである。 ここでは、オンチップフィードバック制御回路を介して安定化された量子相関光子ペア源からなる最初の電子フォトニック量子システムオンチップ(EPQSoC)を実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.091163184377087
• License:
• Abstract: Silicon photonics is a leading platform for realizing the vast numbers of physical qubits needed for useful quantum information processing because it leverages mature complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) manufacturing to integrate on-chip thousands of optical devices for generating and manipulating quantum states of light. A challenge to the practical operation and scale-up of silicon quantum-photonic integrated circuits, however, is the need to control their extreme sensitivity to process and temperature variations, free-carrier and self-heating nonlinearities, and thermal crosstalk. To date these challenges have been partially addressed using bulky off-chip electronics, sacrificing many benefits of a chip-scale platform. Here, we demonstrate the first electronic-photonic quantum system-on-chip (EPQSoC) consisting of quantum-correlated photon-pair sources stabilized via on-chip feedback control circuits, all fabricated in a high-volume 45nm CMOS microelectronics foundry. We use non-invasive photocurrent sensing in a tunable microring cavity photon-pair source to actively lock it to a fixed pump laser while operating in the quantum regime, enabling large scale microring-based quantum systems. In this first demonstration of such a capability, we achieve a high CAR of 134 with an ultra-low g(2)(0) of 0.021 at 2.2 kHz off-chip detected pair rate and 3.3 MHz/mW2 on-chip pair generation efficiency, and over 100 kHz off-chip detected pair rate at higher pump powers (1.5 MHz on-chip). These sources maintain stable quantum properties in the presence of temperature variations, operating reliably in practical settings with many adjacent devices creating thermal disturbances on the same chip. Such dense electronic-photonic integration enables implementation and control of quantum-photonic systems at the scale required for useful quantum information processing with CMOS-fabricated chips.
• Abstract（参考訳）: シリコンフォトニクスは、光の量子状態の生成と操作のために数千の光デバイスを統合するために、成熟した相補的金属酸化物半導体(CMOS)製造を利用するため、有用な量子情報処理に必要な膨大な物理量子ビットを実現するための主要なプラットフォームである。 しかし、シリコン量子フォトニック集積回路の実用化とスケールアップへの挑戦は、プロセスと温度の変動、自由キャリアと自己加熱非線形性、熱クロストークに対する過度な感度を制御する必要があることである。 これまでこれらの課題は、チップスケールのプラットフォームの多くのメリットを犠牲にしながら、粗いオフチップエレクトロニクスを使って部分的に解決されてきた。 本稿では、オンチップフィードバック制御回路を介して安定化された量子相関光子対源からなる最初の電子フォトニック量子システムオンチップ(EPQSoC)を、高体積45nm CMOSマイクロエレクトロニクスファクトリーで作製した。 我々は、可変マイクロリングキャビティ光子ペア源における非侵襲光電流センサを用いて、量子状態下で動作しながら、固定ポンプレーザに積極的にロックし、大規模なマイクロリングベースの量子システムを実現する。 このような能力の最初のデモでは、0.021の超低g(2)(0)を2.2kHzのオフチップ検出ペアレートと3.3MHz/mW2オンチップペア効率で達成し、100kHz以上のオフチップ検出ペアレートをポンプパワー(1.5MHzオンチップ)で達成した。 これらのソースは温度変化の存在下で安定な量子特性を維持しており、同じチップに熱障害を発生させる多くの隣接するデバイスで実用的に確実に動作している。 このような高密度電子フォトニック統合は、CMOSファブリックチップを用いた有用な量子情報処理に必要なスケールでの量子フォトニックシステムの実装と制御を可能にする。

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