Τα κβαντικά φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (QPICs) που λειτουργούν στα 1550 nm αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη σημασία για την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών λόγω της ικανότητάς τους να παρέχουν συμπαγή και υψηλής απόδοσης συστήματα για τη δημιουργία, το χειρισμό και την ανίχνευση μεμονωμένων φωτονίων. Τα μεμονωμένα φωτόνια αποτελούν τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία των κβαντικών επικοινωνιών, των κβαντικών υπολογιστών και της κβαντικής μετρολογίας. Για την υλοποίηση αυτών των κβαντικών τεχνολογιών, είναι ζωτικής σημασίας η ικανότητα χειρισμού μεμονωμένων φωτονίων με υψηλή ακρίβεια και αξιοπιστία. Τα ετερογενούς ολοκλήρωσης QPICs προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη λύση σε αυτή την πρόκληση, ενσωματώνοντας διαφορετικά φωτονικά στοιχεία, όπως κυματοδηγούς, διαμορφωτές, ανιχνευτές και μη γραμμικά υλικά σε ένα μόνο τσιπ, επιτρέποντας τη δημιουργία πολύπλοκων φωτονικών κυκλωμάτων που μπορούν να εκτελέσουν ένα ευρύ φάσμα λειτουργιών με υψηλή απόδοση και χαμηλές απώλειες.
Το ερευνητικό έργο QPIC1550 θα αναλάβει την υλοποίηση ετερογενών κβαντικών φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (QPIC) που λειτουργούν στα 1550 nm, δηλαδή στη ζώνη χαμηλών απωλειών των συμβατικών οπτικών επικοινωνιών. Θα επιτρέψει έτσι την απρόσκοπτη ενσωμάτωσή τους στις υπάρχουσες υποδομές και τις διαδικασίες κατασκευής όγκου, ενώ θα τα καταστήσει μια οικονομικά αποδοτική και πρακτική λύση για την ανάπτυξη πρακτικών κβαντικών τεχνολογιών.
Μετά την επιτυχία του QPIC1550, η ερευνητική κοινοπραξία ελπίζει ότι θα μπορέσει να χρησιμοποιήσει τις πλατφόρμες που αναπτύχθηκαν για πραγματικές εφαρμογές στον τομέα της κβαντικής επικοινωνίας, της κβαντικής πληροφορικής και του κβαντικού συγχρονισμού ρολογιών, με μεγάλα πλεονεκτήματα κόστους και σταθερότητας σε σύγκριση με τις λύσεις που χρησιμοποιούνται σήμερα. Στο πλαίσιο του QPIC1550, θα αναπτυχθούν οι πρώτοι ολοκληρωμένοι πομποί και δέκτες στον κόσμο, οι οποίοι θα είναι σε θέση να επιδείξουν την κβαντική έννοια της μη-τοπικότητας σε απόσταση και έτσι να επιτρέψουν ένα ευρύ φάσμα υπολογιστικών λειτουργιών. Το QPIC1550 θα επιδιώξει επίσης τη συν-συσκευασία τέτοιων συσκευών, επιτρέποντας το χειρισμό και την εγκατάστασή τους από μη εξειδικευμένο προσωπικό, ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο χρόνος από το εργαστήριο στην αγορά. Τέλος, το QPIC1550 θα είναι η πρώτη πρωτοβουλία στον κόσμο που θα επιδείξει κβαντικό συγχρονισμό ρολογιού με σταθερότητα της τάξης των μερικών ps (από δεκάδες ps σήμερα), βασισμένη σε κβαντικές φωτονικές ολοκληρωμένες διατάξεις, οι οποίες ενισχύουν περαιτέρω την πρακτική εφαρμογή μιας από τις πιο θεμελιώδεις λειτουργίες του κβαντικού διαδικτύου.
Πιο συγκεκριμένα, οι κύριοι στόχοι του QPIC περιλαμβάνουν:
– Την υλοποίηση πηγών κβαντικών σημείων InAs/InP για μεμονωμένα φωτόνια, πηγών ζεύγους διεμπλεκόμενων φωτονίων και διόδων Avalanche ενός φωτονίου ενσωματωμένων σε κυματοδηγούς που λειτουργούν στα 1550 nm.
– Την επίδειξη των QPICs πολλαπλών κόμβων σε πειράματα διανομής κβαντικού κλειδιού και σε απομακρυσμένους κβαντικούς υπολογιστές στα 1550 nm.
– Την επίδειξη πειραμάτων συγχρονισμού κβαντικού ρολογιού και κβαντικών φυσικών μη-κλωνοποιήσιμων συναρτήσεων με βάση διατάξεις QPIC1550
Το Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής συμμετέχει με το Εργαστήριο Παράλληλων και Κατανεμημένων Συστημάτων και Δικτύων (PDSN) και θα συμβάλει στην ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό πρωτοτύπων του κβαντικού συγχρονισμού ρολογιού πρώτης γενιάς, καθώς και στον χαρακτηρισμό των μη-κλωνοποιήσιμων συναρτήσεων που βασίζονται σε PICs QPIC1550.
Τέλος, χρησιμοποιώντας τα λειτουργικά πρωτότυπα του QPIC1550, το ΠΑΔΑ στοχεύει στην ανάπτυξη ενός συστήματος αμφίδρομου κβαντικού συγχρονισμού ρολογιού και στην αξιολόγησή του στο εργαστήριο του PDSN χρησιμοποιώντας μια οπτική ίνα μήκους 50 km καθώς και στο πεδίο, χρησιμοποιώντας το εγκατεστημένο δίκτυο οπτικών ινών της VODAFONE που συνδέει το PDSN με το μητροπολιτικό δίκτυο της Αθήνας. Στόχος μας είναι να κατασκευάσουμε το σύστημα παράλληλα με μια κλασική τεχνική συγχρονισμού ρολογιών που χρησιμοποιείται ήδη σε διάφορες εφαρμογές από το εργαστήριο του ΠΑΔΑ και να το συγκρίνουμε με το νέο σύστημα του QPIC1550.
Τίτλος Έργου: QPIC-1550 (Quantum photonic integrated circuits at 1550 nm)
Χρονική Διάρκεια Έργου: 4/12/2023-3/12/2027
Ιστοσελίδα Έργου: https://www.qpic1550-project.eu/
Πλαίσιο & Ποσό Χρηματοδότησης Έργου: Το έργο αυτό χρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή με περίπου 6 εκατομμύρια ευρώ στο πλαίσιο της δράσης HORIZON-CL4-2023-DIGITAL-EMERGING-01-40 — Quantum Photonic Integrated Circuit technologies (RIA)
Επιστημονικός Υπεύθυνος (Πα.Δ.Α.): Αντώνης Μπόγρης
Κοινοπραξία – Συνεργαζόμενοι Φορείς:
- Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής (Ελλάδα)
- Πολυτεχνείο του Αϊντχόφεν (Ολλανδία),
- Πολυτεχνείο του Μιλάνο (Ιταλία)
- QTI (Ιταλία)
- Πολυτεχνείο της Δανίας (Δανία)
- Πολυτεχνείο της Βρότσλαβ (Πολωνία)
- LIGENTEC (Γαλλία)
- MARTEL B.V (Γαλλία)
- Πανεπιστημιακό Κολέγιο του Κορκ (Ιρλανδία)
Ερευνητικές Δημοσιεύσεις/ Αποτελέσματα / Πατέντες
[1] D. Dermanis, A. Bogris, P. Rizomiliotis, and C. Mesaritakis, “Photonic Physical Unclonable Function based on Integrated Neuromorphic Devices,” J. Light. Technol., 2022,
[2] Bogris, Adonis, Thomas Nikas, and Radan Slavík. “Towards precise one-way fiber-based frequency dissemination using phase-sensitive amplification.” Optics letters 44.3 (2019): 550-553.
[3] Bogris, Adonis, et al. “Sensitive seismic sensors based on microwave frequency fiber interferometry in commercially deployed cables.” Scientific Reports 12.1 (2022): 14000.
