Ponad 3 mln euro otrzymało międzynarodowe konsorcjum, w skład którego wchodzi nasza uczelnia, na badania nad nowymi rozwiązaniami technologicznymi dla fotonicznego przetwarzania informacji kwantowej. W pracach uczestniczyć będą naukowcy z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki.

Projekt „Quantum Dot coupling engineering (and dynamic spin decoupling/deep nuclei cooling): 2-dimensional cluster state generation for quantum information processing (QCEED)” koordynuje irlandzki Tyndall National Institute (University College Cork).

Do konsorcjum należą także: Masaryk University (Czechy), Consiglio Nazionale delle Ricerche (Włochy), Commissariat à l’energie atomique et aux énergies alternatives – CEA (Francja), III-V Lab (Francja), Day One – Innovation Studio (Włochy) oraz Politechnika Wrocławska.

Na swój projekt zespół otrzymał grant z programu UE Horyzont Europa w ramach filaru Innovative Europe (Innowacyjna Europa). Całkowita kwota dofinansowania to 3 mln euro, z czego 512 tys. euro przeznaczono na badania, które będzie prowadził zespół prof. Grzegorza Sęka z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki.

Historyczna próba

Głównym celem projektu QCEED jest opracowanie nowych rozwiązań  dla obecnie istniejących ograniczeń w fotonicznym przetwarzaniu informacji kwantowej.  Dzisiejsze technologie informacyjne wymagają coraz wydajniejszego przetwarzania danych. Obecnie stosowane algorytmy mają istotne ograniczenia i wkrótce nie będą w stanie sprostać szybko rosnącym wymaganiom. Pomóc w ich przełamaniu mogą rozwiązania oparte na mechanice kwantowej.

– Jedna z proponowanych realizacji uniwersalnych „skalowalnych” obliczeń kwantowych wykorzystuje  specyficzne stany światła, tzw. wielowymiarowe stany klastrowe, czyli splątane stany wielu fotonów – mówi prof. Grzegorz Sęk z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki, lider zespołu z PWr.  – Natomiast technologiczna zdolność do generowania na żądanie tego typu złożonych stanów światła do tej pory nie została jeszcze udowodniona w żadnym eksperymencie.

I to właśnie w ramach projektu QCEED naukowcy zamierzają zrobić to po raz pierwszy i zademonstrować emisję na żądanie, z wysoką częstotliwością i na dużą skalę (czyli dla wielu fotonów) dwuwymiarowych stanów klastrowych światła. Będą one miały bezpośrednie zastosowanie w kryptografii kwantowej i obliczeniach kwantowych.

Będzie to możliwe dzięki wykorzystaniu układów półprzewodnikowych, które są łatwo integrowalne z obecnymi  technologiami fotonicznymi i łatwo skalowalne do poziomu w pełni funkcjonujących urządzeń. Wymagać to jednak będzie opracowania nowych układów sprzężonych ze sobą struktur o nanometrowych rozmiarach, tzw. kropek kwantowych, oraz wykorzystania zaawansowanych technik ograniczenia ich oddziaływania z otoczeniem, które prowadzi do niepożądanej zmiany stanu układu, czyli dekoherencji.

Jak to osiągnąć?

– Najpierw należy deterministycznie zaprojektować parowanie kropek kwantowych, a następnie ostatecznie dostosować do wymogów takiej aplikacji określone stany „cząsteczkowe”, czyli stany elektronowe pary sprzężonych kropek – tłumaczy prof. Sęk. – Standardowe kropki kwantowe byłyby w tym przypadku trudne do wykorzystania.

Schematy budowy struktur z kropkami kwantowymi oraz zdjęcia z mikroskopu elektronowego  (©Tyndall National Institute –  UCC, ©Istituto Nanoscienze – CNR).

Dlatego twórcy projektu QCEED zdecydowali się na zastosowanie dwóch szczególnych technologii półprzewodnikowych. Chodzi o  użycie deterministycznie osadzanych piramidalnych kropek z trójskładnikowego materiału półprzewodnikowego InGaAs, otrzymywanych techniką epitaksji z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych jako prekursorów (ang. metalorganic vapour phase epitaxy) - MOVPE, oraz kropek w nanodrutach ze stopu półprzewodnikowego InAsP wzrastanych metodą epitaksji chemicznej w trybie wzrostu wykorzystującym fazę gazową, ciekłą i stałociałową (ang. chemical beam epitaxy vapour-liquid-solid) - CBE VLS.

Dodatkową kwestią, którą zajmie się konsorcjum, jest kontrola kierunku, w którym będą poruszały się wygenerowane fotony oraz maksymalizacja szybkości generacji co jest warunkiem koniecznym z punktu widzenia praktycznych zastosowań. Będzie to możliwe poprzez zastosowanie specjalnie zaprojektowanych struktur fotonicznych, tj. wysokiej jakości falowodów i wnęk optycznych, zapewniających oprócz kierunkowości emisji również zwiększenie częstotliwości generacji fotonów.

Intensywne cztery lata

Do konsorcjum składającego się z siedmiu partnerów z pięciu krajów europejskich starannie dobrano jednostki uzupełniające się w kompetencjach badawczych i zasobach laboratoryjnych.

Jedno z najważniejszych zadań, jakim jest wykonanie kompleksowych badań spektroskopowych tych nowych układów kwantowych, przypadło naukowcom z Katedry Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej. Oprócz prof. Sęka tymi pracami zajmie się także dr inż. Anna Musiał i dr hab. inż. Marcin Syperek, prof. uczelni (oboje z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki) oraz dwójka doktorantów.

Głównym celem, jaki stawia przed sobą zespół z W11, jest poznanie szczegółów struktury stanów energetycznych nośników związanych w kolejnych generacjach projektowanych i wytwarzanych układów kropek kwantowych. 

– Dzięki bliskiej współpracy z partnerami odpowiedzialnymi za modelowanie teoretyczne i technologię wzrostu liczymy, że możliwe będzie otrzymanie par kropek o dokładnie zaprojektowanej strukturze stanów elektronowych, które spełnią wymagania generacji wielowymiarowych klastrowych stanów fotonowych – zapowiada prof. Marcin Syperek.

Zespół z PWr będzie także uczestniczył w eksperymentalnej demonstracji głównego wyniku projektu. – Przewidujemy, że w efekcie naszych działań uda się zademonstrować generację dwuwymiarowych stanów klastrowych dla co najmniej ośmiu fotonów, z częstotliwością na poziomie setek megaherców – dodaje dr Anna Musiał.

Projekt QCEED rozpocznie się 1 lutego 2025 r. i potrwa w sumie cztery lata.

Nasi naukowcy będą zaangażowani w realizację projektu od samego początku, dlatego pierwsze wyniki spodziewają się uzyskać już w przyszłym roku. – Szacujemy, że około dwa lata zajmie nam uzyskanie odpowiednio sprzężonej pary kropek kwantowych, a następnie skupimy się na zwiększeniu szybkości generacji fotonów oraz na opracowaniu metod zwiększenia czasów koherencji stanów spinowych w kropkach – wyjaśnia prof. Grzegorz Sęk z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki.

Zaprezentowanie generacji wielowymiarowych, fotonicznych stanów splątanych ma nastąpić w drugiej połowie 2028 r.