Rice Universitys ingenjörer har demonstrerat ett sätt att kontrollera de optiska egenskaperna hos atomära ofullkomligheter i kiselmaterial som kallas T-centra, vilket banar väg för att utnyttja dessa punktdefekter för att bygga kvantnoder för storskaliga kvantnätverk.
"T-centra är en typ av atomär defekt i det vanliga gittret av kisel", säger Songtao Chen, biträdande professor i el- och datorteknik.
"T-center har genererat stort intresse nyligen eftersom de visar potential som qubit-byggstenar för kvantnätverk. De sänder ut enstaka fotoner med en fördelaktig våglängd för telekommunikationstillämpningar, men de lider av en låg fotonemissionshastighet."
Spontan emission – fenomenet bakom det välbekanta glödet från en eldfluga eller andra glöd-i-mörkret-effekter – beskriver processen genom vilken ett kvantmekaniskt system, som en molekyl, atom eller subatomär partikel, övergår till ett lägre energitillstånd genom att frigör en del av sin energi i form av en foton. Att öka hastigheten för spontana emissioner i T-centra är ett av hindren som forskare måste övervinna för att göra T-centerbaserade qubits livskraftiga.
Genom att bädda in ett T-center i en fotonisk integrerad krets, ökade Songtao och hans team insamlingseffektiviteten för T-center enstaka fotonemission med två storleksordningar jämfört med typiska experiment av konfokaltyp.
Enligt studien publicerad i Nature Communications , visade teamet att koppling med en fotonisk kristallkavitet ökar ett T-centers fotonemissionshastighet med en faktor sju, och utnyttjar ett fenomen som kallas Purcell-effekten.
"Målet med vårt experiment var att visa förmågan att modifiera de optiska egenskaperna hos enstaka T-centra i kisel", säger Rice doktorand och studiemedförfattare Yu-En Wong. "Det visar sig att den fotoniska kavitetsstrukturen påverkar T-centrets fotonemissionshastighet. Genom att mäta hastigheten med och utan kavitetsinteraktion kunde vi mäta styrkan i kopplingen mellan kaviteten och T-centret."
Kopplingen mellan den fotoniska kavitetsstrukturen och T-centret blir starkare när de utbyter fotonenergi allt snabbare, vilket förkortar tiden som energi lagras i T-centret.
"Det här är vad som är allmänt känt som Purcell-effekten", säger Rice doktorand och studiemedförfattare Adam Johnston.
"Vad vi har visat här är att vi kan använda Purcell-effekten för att uppnå den renaste enstaka fotonemissionen bland alla färgcentra i kisel hittills och den största fotonemissionsförbättringen för ett enda T-center."
Upptäckten är ett viktigt steg mot att utveckla kvantnätverk, som förlitar sig på fotonernas kvantegenskaper för att koda information, vilket möjliggör både betydligt kraftfullare datoranvändning och förbättrad säkerhet.
"Säkerheten för kvantkommunikation garanteras av grunderna i kvantmekaniken, vilket möjliggör upptäckt av avlyssnare med hög sannolikhet och därmed förbättrar skyddet av känslig data", säger medförfattaren Ulises Felix-Rendon, som tillsammans med Johnston och Wong driver doktorsexamen i tillämpad fysik som en del av Chen-labbet.
"Företag som Google och IBM har visat på betydande fördelar med kvantdatorer jämfört med sina klassiska motsvarigheter," sa Felix-Rendon.
"Många av världens mest avancerade kvantdatorer är dock begränsade till att skicka information över ledningar som kyls till kryogena temperaturer, vilket begränsar skalbarheten hos dessa system. Vi hoppas att vårt arbete kommer att vara avgörande för att utveckla kvantnätverk för att koppla ihop fjärranslutna kvantdatorer och gå förbi nuvarande vägspärrar inom kvantteknik."
Mer information: Adam Johnston et al, Cavity-coupled telecom atomic source in silicon, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46643-8
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Rice University
