Лаборатория разрабатывает новый метод генерации одиночных фотонов на кристалле

По мере того, как шумиха вокруг квантового будущего становится все громче, исследователи во всем мире работают сверхурочно, чтобы выяснить, как лучше всего раскрыть перспективу суперпозиционных, запутанных, туннелирующих или иным образом готовых к прайм-тайму квантовых частиц, способность которых возникать в два этапа. состояния одновременно могут значительно увеличить мощность и эффективность во многих приложениях.

Однако с точки зрения развития квантовые устройства сегодня находятся «на том же уровне, на котором компьютер был в 1950-х», то есть в самом начале. Это, по словам Камьяра Парто, шестикурсника доктора философии. студент лаборатории Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Галана Муди, эксперта в области квантовой фотоники и доцента электротехники и вычислительной техники.

Парто является соавтором статьи, опубликованной в журнале. Нано буквыописывающий ключевой прогресс: разработку своего рода «фабрики» на кристалле для производства устойчивого и быстрого потока одиночных фотонов, необходимого для реализации квантовых технологий на основе фотоники.

На ранних стадиях разработки компьютеров, объясняет Парто, «исследователи только что создали транзистор, и у них были идеи, как сделать цифровой переключатель, но платформа была слабой. Разные группы разрабатывали разные платформы, и в конце концов все сошлись воедино. на КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник). Затем у нас был огромный взрыв вокруг полупроводников».

«Квантовая технология находится в похожем положении — у нас есть идея и представление о том, что мы можем с ней сделать, и есть много конкурирующих платформ, но явного победителя пока нет», — продолжает он. «У вас есть сверхпроводящие кубиты, спиновые кубиты в кремнии, электростатические спиновые кубиты и квантовые компьютеры на основе ионных ловушек. Microsoft пытается создать топологически защищенные кубиты, а в Moody Lab мы работаем над квантовой фотоникой».

Парто предсказывает, что платформа-победитель будет комбинацией различных платформ, учитывая, что каждая из них мощна, но также имеет ограничения. «Например, с помощью квантовой фотоники очень легко передавать информацию, потому что свет любит двигаться», — говорит он.

«Спиновый кубит, однако, упрощает хранение информации и выполнение некоторых локальных «вещей» с ней, но вы не можете перемещать эти данные. Итак, почему бы нам не попробовать использовать фотонику для передачи данных из платформа, которая лучше хранит его, а затем снова преобразует в другой формат?»

Кубиты, эти странно ведущие себя драйверы квантовых технологий, конечно же, отличаются от классических битов, которые могут существовать только в одном состоянии нуля или единицы. Кубиты могут быть и единицей, и нулем одновременно. По словам Парто, в области фотоники один фотон может существовать (состояние 1) и не существовать (состояние 0).

Это связано с тем, что один фотон представляет собой так называемую двухуровневую систему, а это означает, что он может существовать в нулевом состоянии, в единичном состоянии или в любой комбинации, например, 50 % единицы и 50 % нуля или, может быть, 80 % единицы и 20% ноль. Это можно сделать в обычном порядке в группе Муди. Задача состоит в том, чтобы генерировать и собирать отдельные фотоны с очень высокой эффективностью, например, направляя их на микросхему с помощью волноводов. Волноводы делают именно то, что следует из их названия, направляя свет туда, куда ему нужно, так же, как провода направляют электричество.

Парто объясняет: «Если мы поместим эти одиночные фотоны во множество разных волноводов — по тысяче одиночных фотонов на каждый волновод — и как бы построим, как фотоны движутся по волноводам на чипе, мы сможем провести квантовые вычисления».

Хотя использовать волноводы для маршрутизации фотонов на чип относительно просто, выделить один фотон непросто, а создать систему, которая быстро и эффективно производит миллиарды фотонов, гораздо сложнее. В новой статье описывается метод, в котором используется своеобразное явление для генерации одиночных фотонов с эффективностью, которая намного выше, чем была достигнута ранее.

«Работа заключается в усилении генерации этих одиночных фотонов, чтобы они стали полезными для реальных приложений», — говорит Парто. «Прорыв, описанный в этой статье, заключается в том, что теперь мы можем надежно генерировать одиночные фотоны при комнатной температуре способом, который подходит для (процесса массового производства) CMOS».

Существуют различные способы генерации одиночных фотонов, но Парто и его коллеги делают это, используя дефекты в определенных двумерных (2D) полупроводниковых материалах толщиной всего в один атом, по существу удаляя часть материала для создания дефект.

«Если вы направите свет (генерируемый лазером) на правильный тип дефекта, материал отреагирует испусканием одиночных фотонов», — говорит Парто. «Дефект в материале действует как то, что называется состоянием ограничения скорости, что позволяет ему вести себя как фабрика по выталкиванию одиночных фотонов по одному». Один фотон может производиться каждые три-пять наносекунд, но исследователи пока не уверены в скорости, и Парто, получивший докторскую степень. на тему разработки таких дефектов, говорит, что текущая скорость может быть намного медленнее.

Большим преимуществом 2D-материалов является то, что они позволяют создавать дефекты в определенных местах. Кроме того, Парто говорит: «Материалы настолько тонкие, что их можно взять и положить на любой другой материал, не ограничиваясь геометрией решетки трехмерного кристаллического материала. показать в этой газете».

Чтобы сделать полезное устройство, дефект двумерного материала должен быть помещен в волноводы с предельной точностью. «На материале есть одна точка, которая излучает свет из дефекта, — отмечает Парто, — и нам нужно направить этот единственный фотон в волновод».

Исследователи пытаются сделать это несколькими способами, например, помещая материал на волновод, а затем ища существующий единственный дефект, но даже если дефект точно выровнен и находится в точно правильном положении, эффективность извлечения будет всего 20-30%. Это связано с тем, что отдельный дефект может излучать только с одной определенной скоростью, и часть света излучается под косыми углами, а не прямо по пути к волноводу. Теоретический верхний предел этой конструкции составляет всего 40%, но для создания полезного устройства для квантово-информационных приложений требуется эффективность извлечения 99,99%.

«Свет от дефекта по своей природе светит повсюду, но мы предпочитаем, чтобы он светил в эти волноводы», — объясняет Парто. «У нас есть два варианта. Если вы поместите волноводы поверх дефекта, возможно, от десяти до пятнадцати процентов света попадет в волноводы. Этого недостаточно. Но есть физическое явление, называемое эффектом Парселла, которое мы можем использовать. Чтобы повысить эту эффективность и направить больше света в волновод, вы делаете это, помещая дефект в оптический резонатор — в нашем случае он имеет форму микрокольцевого резонатора, который является одним из немногих полостей, которые позволяют вам направлять свет в волновод и из него».

«Если полость достаточно мала, — добавил он, — она будет вытеснять вакуумные флуктуации электромагнитного поля, и именно эти флуктуации вызывают спонтанное испускание фотонов из дефекта в моду света. Сжимая эту квантовую флуктуацию в полость конечного объема флуктуации над дефектом увеличиваются, заставляя его излучать свет преимущественно в кольцо, где он ускоряется и становится ярче, тем самым увеличивая эффективность извлечения».

В экспериментах с использованием микрокольцевого резонатора, которые были проведены для этой статьи, команда достигла эффективности извлечения 46%, что на порядок больше, чем в предыдущих отчетах.

«Мы очень воодушевлены этими результатами, потому что однофотонные излучатели в двумерных материалах решают некоторые из нерешенных проблем, с которыми сталкиваются другие материалы с точки зрения масштабируемости и технологичности», — говорит Муди. «В ближайшее время мы изучим их использование для нескольких различных приложений квантовой связи, но в долгосрочной перспективе наша цель — продолжить разработку этой платформы для квантовых вычислений и сетей».

Для этого группе необходимо повысить эффективность до уровня выше 99%, а для достижения этого потребуются более качественные нитридные резонаторные кольца. «Чтобы повысить эффективность, вам нужно сгладить кольцо, когда вы вырезаете его из пленки нитрида кремния», — объясняет Парто. «Однако, если сам материал не является полностью кристаллическим, даже если вы попытаетесь сгладить его на атомарном уровне, поверхности все равно могут выглядеть шероховатыми и похожими на губку, из-за чего свет будет рассеиваться».

В то время как некоторые группы достигают самого высокого качества нитрида, покупая его у компаний, которые идеально выращивают его, Парто объясняет: «Мы должны выращивать его сами, потому что нам нужно поместить дефект под материал, а также мы используем специальный тип нитрида кремния, который минимизирует фоновый свет для однофотонных приложений, а компании этого не делают».

Парто может выращивать свои нитриды в печи для химического осаждения из газовой фазы с плазменным усилением в чистой комнате UCSB, но, поскольку это интенсивно используемое совместное предприятие, он не может настроить некоторые параметры, которые позволили бы ему выращивать материал достаточного качества. План, по его словам, состоит в том, чтобы использовать эти результаты для подачи заявок на новые гранты, которые позволят «получить наши собственные инструменты и нанять студентов для выполнения этой работы».