Kvantinformationsforskare är alltid på jakt efter vinnande kombinationer av material, material som kan manipuleras på molekylär nivå för att tillförlitligt lagra och överföra information. Efter en nyligen genomförd demonstration av principbevis lägger forskare till en ny kombination av föreningar till kvantmateriallistan.
I en studie rapporterad i ACS Photonics , kombinerade forskare två strukturer i nanostorlek - en gjord av diamant och en av litiumniobat - på ett enda chip. De skickade sedan ljus från diamanten till litiumniobatet och mätte den bråkdel av ljus som lyckades ta sig igenom.
Ju större andelen är, desto effektivare är kopplingen av materialen och desto mer lovande är parningen som en komponent i kvantenheter.
Resultatet:En extraordinär 92 % av ljuset tog steget från diamant till litiumniobat.
Forskningen stöddes delvis av Q-NEXT, ett U.S.A. Department of Energy (DOE) National Quantum Information Science Research Center ledd av DOE:s Argonne National Laboratory. Stanford Universitys Amir Safavi-Naeini och Jelena Vuckovic ledde studien.
"Det var ett spännande resultat att få 92 % effektivitet från den här enheten", säger Hope Lee, medförfattare och doktor. student vid Stanford University och forskare som arbetade med Q-NEXT-direktören David Awschalom medan han studerade vid University of Chicago. "Det visade fördelarna med plattformen."
Kvantteknologier utnyttjar speciella egenskaper hos materia i molekylär skala för att bearbeta information. Kvantdatorer, nätverk och sensorer förväntas ha en enorm inverkan på våra liv inom områden som medicin, kommunikation och logistik.
Kvantinformation levereras i paket som kallas qubits, som kan ta många former. I forskargruppens nya plattform överför qubits information som ljuspartiklar.
Pålitliga qubits är avgörande för tekniker som kvantkommunikationsnätverk. Liksom i traditionella nätverk färdas information i kvantnätverk från en nod till en annan. Stationära qubits lagrar information inom en nod; flygande qubits bär information mellan noder.
Forskargruppens nya chip skulle ligga till grund för en stationär qubit. Ju mer robust den stationära kvantbiten är, desto mer tillförlitlig är kvantnätverket och desto större avstånd kan nätverken täcka. Ett kvantnätverk som spänner över en kontinent är väl inom räckhåll.
Diamond har länge utsetts som ett bra hem för qubits. För det första kan en diamants molekylära struktur lätt manipuleras för att vara värd för stationära qubits. För en annan kan en diamant-värd qubit bibehålla information under en relativt lång tid, vilket innebär mer tid för att utföra beräkningar. Dessutom uppvisar beräkningar som utförs med diamant-värdade qubits hög noggrannhet.
Diamonds partner i gruppens studie, litiumniobat, är en annan stjärna när det kommer till bearbetning av kvantinformation. Dess speciella egenskaper ger forskarna mångsidighet genom att tillåta dem att ändra frekvensen på ljuset som passerar genom den.
Till exempel kan forskare applicera ett elektriskt fält eller en mekanisk belastning på litiumniobatet för att justera hur det kanaliserar ljus. Det är också möjligt att vända orienteringen av dess kristallstruktur. Att göra detta med jämna mellanrum är ett annat sätt att forma ljusets passage genom materialet.
"Du kan använda dessa egenskaper hos litiumniobatet för att omvandla och ändra ljuset som kommer från diamanten, modulera det på sätt som är användbara för olika experiment", säger Jason Herrmann, medförfattare och doktor. student vid Stanford. "Till exempel kan du i princip omvandla ljuset till en frekvens som används av befintlig kommunikationsinfrastruktur. Så de egenskaperna hos litiumniobat är verkligen fördelaktiga."
Traditionellt kanaliseras ljus från diamantbaserade qubits till antingen en fiberoptisk kabel eller ledigt utrymme. I båda fallen är experimentupplägget svårhanterligt. Fiberoptiska kablar är långa, hängiga och floppiga. Att överföra qubits till ledigt utrymme kräver skrymmande utrustning.
All den utrustningen försvinner när ljuset från diamantens qubits istället kanaliseras till litiumniobat. Nästan varje komponent kan placeras på ett litet chip.
"Det finns en fördel med att ha så många av dina enheter och dina funktioner som möjligt på ett enda chip," sa Lee. "Det är mer stabilt. Och det låter dig verkligen miniatyrisera dina inställningar."
Inte bara det utan eftersom de två enheterna är sammankopplade med en visktunna glödtråd – 1/100 av bredden på ett människohår – kläms kvantljuset in i den smala passagen som leder till litiumniobat, vilket ökar ljusets interaktion med materialet. och gör det lättare att manipulera ljusets egenskaper.
"När alla de olika ljuspartiklarna interagerar tillsammans i en så liten volym får du en mycket högre effektivitet i omvandlingsprocessen," sa Herrmann. "Att kunna göra detta i den integrerade plattformen kommer förhoppningsvis att ge upphov till mycket högre effektivitet jämfört med installationen med fibrer eller ledigt utrymme."
En av utmaningarna med att utveckla plattformen var att manipulera diamanten – bara 300 nanometer bred – för att passa in i litiumniobatet.
"Vi var tvungna att peta på diamanten med små små nålar för att flytta runt den tills det såg ut som om det var på rätt plats på den här tallriken," sa Lee. "Det är nästan som att du petar i det med små ätpinnar."
Att mäta det överförda ljuset var en annan mödosam process.
"Vi måste verkligen se till att vi tar hänsyn till alla platser där ljus överförs eller förloras för att kunna säga," Det här är hur mycket som går från diamant till litiumniobat, " sa Herrmann. "Den kalibreringsmätningen tog mycket fram och tillbaka för att säkerställa att vi gjorde det korrekt."
Teamet planerar ytterligare experiment som utnyttjar fördelarna med kvantinformation som diamant och litiumniobat erbjuder, både separat och tillsammans. Deras senaste framgångar är bara en milstolpe i vad de hoppas ska vara en mångsidig meny av enheter baserade på de två materialen.
"Genom att sätta samman dessa två materialplattformar och kanalisera ljus från den ena till den andra visar vi att istället för att arbeta med bara ett material kan du verkligen få det bästa av två världar," sa Lee.
Mer information: Daniel Riedel et al, Effektiv fotonisk integration av diamantfärgcentra och tunnfilmslitiumniobat, ACS Photonics (2023). DOI:10.1021/acsphotonics.3c00992
Journalinformation: ACS Photonics
Tillhandahålls av Argonne National Laboratory
