Гибридный чип из алмаза и фосфида галлия усилил взаимодействие света и кубитов
Исследователи создали гибридную фотонную платформу, которая объединяет квантовые излучатели с фотонными устройствами, обеспечивая надежный контроль взаимодействия между фотонами и носителями квантовой информации. Чип, сочетающий фосфид галлия (GaP) с алмазной подложкой, может сделать квантовые сети более практичными, позволяя соединять квантовые устройства на больших расстояниях. Эту информацию сообщает сайт Phys.org.
Масштабирование квантовых технологий для создания сетей связи требует соединения квантовых воспоминаний, или кубитов, на больших расстояниях. Хотя оптоволоконные сети предлагают многообещающий способ сделать это с помощью оптических сигналов, ключевая проблема — надежное преобразование информации, хранящейся в кубитах, в оптические фотоны, которые могут путешествовать по сети.
«Мы показываем, что наша гибридная интегрированная нанофотонная платформа GaP-на-алмазе может решить эту проблему, реализуя надежно контролируемые взаимодействия между фотонами и типом кубита, называемым кремний-вакансионным (SiV) центром в алмазе», — сказал первый автор статьи Николас С. Яма из Вашингтонского университета. Он добавил, что GaP также обладает сильными нелинейными свойствами, которые обеспечивают преобразование оптической частоты, переключение и модуляцию, необходимые для сетевых приложений.
В журнале Optica Quantum исследователи под руководством Кай-Мэй К. Фу из Вашингтонского университета и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории описывают свою новую гибридную платформу, включая масштабируемый процесс производства, разработанный для решения давней проблемы создания фотонных устройств на основе алмаза. Они использовали этот процесс для изготовления более 600 нанофотонных резонаторов GaP на алмазной подложке с выходом 99,5%.
«Если GaP-на-алмазе окажется жизнеспособным путем вперед, это может быть одним из самых простых путей к реализации квантовых сетей в масштабе для практических приложений, таких как безопасная связь и криптография», — отметил Яма. Та же технология может поддержать более широкие квантовые вычисления, а возможность создавать квантовые системы на больших расстояниях открывает возможности за пределами сетей.
GaP-на-алмазе изучается более десяти лет как потенциальная масштабируемая платформа для кубитов на основе алмаза. Однако добиться достаточно сильного взаимодействия фотонных устройств и SiV-центров для надежного контроля кубитов было трудно: требуется режим высокой кооперативности, при котором взаимодействие достаточно сильно для детерминированного поведения. Ранние устройства использовали частичное травление алмаза, но этот процесс нестандартен и трудно масштабируется.
В 2023 году группа Фу показала, что может изготавливать устройства GaP-на-алмазе без модификации алмаза, используя масштабируемый процесс штамповой передачи. Однако оптические взаимодействия были недостаточно сильны для практического использования. В новой работе они перепроектировали структуру и усовершенствовали процесс, повысив выход почти до 100% и интегрировав физическое разделение SiV и фотоники в оптимизацию конструкции.
Новая платформа объединяет сильные стороны двух материалов: нетравленый алмаз обеспечивает идеальную среду для сильного взаимодействия SiV-фотон, а GaP позволяет интегрировать оптические компоненты, такие как переключатели и модуляторы, непосредственно в чип. Яма пояснил, что платформа в будущем сможет соединять несколько SiV-кубитов на одном чипе, интегрируя переключение, модуляцию и волноводы, а в этой работе они демонстрируют, что ключевой фундаментальный компонент — связь SiV-фотон — работает.
Для демонстрации устройств исследователи начали с мембраны GaP на подложке-носителе, затем с помощью электронно-лучевой литографии сформировали нанофотонные резонаторы и проверили их оптической спектроскопией. Лучшие устройства перенесли на алмазную подложку методом штамповой передачи. С помощью лазера они показали, что устройства достигли кооперативности выше единицы, что означает, что взаимодействие достаточно сильно для надежного обнаружения спинового состояния SiV через рассеянный свет. Каждое спиновое состояние давало отчетливый спектральный след, позволяя «наблюдать» переключение кубита SiV между состояниями. Время спиновой релаксации превышало 0,4 миллисекунды, что вместе с высокой кооперативностью обеспечило считывание электронного спина SiV за один выстрел.
В следующих экспериментах исследователи планируют соединить два или более устройств SiV на одном чипе и показать, что они могут запутываться, образуя более крупный квантовый регистр. Они также намерены оптимизировать процесс производства для улучшения кооперативности и создания более сложных фотонных чипов. Гибридный подход может применяться и к другим квантовым эмиттерам, таким как карбид кремния и одиночные эмиттеры в 2D-материалах, предоставляя новые инструменты для масштабирования квантовых технологий.
