Fremskridt kvantenetværk:Undersøgelse opnår største fotonemissionsforbedring for enkelt T-center til dato

Rice University-ingeniører har demonstreret en måde at kontrollere de optiske egenskaber af atomare ufuldkommenheder i siliciummateriale kendt som T-centre, hvilket baner vejen for at udnytte disse punktdefekter til at bygge kvanteknuder til kvantenetværk i stor skala.

"T-centre er en type atomare defekter i det almindelige gitter af silicium," sagde Songtao Chen, assisterende professor i elektro- og computerteknik.

"T-centre har skabt stor interesse for nylig, fordi de viser potentiale som qubit-byggesten til kvantenetværk. De udsender enkeltfotoner med en fordelagtig bølgelængde til telekommunikationsapplikationer, men de lider under en lav fotonemissionshastighed."

Spontan emission - fænomenet bag en ildflues velkendte glød eller andre glød-i-mørke-effekter - beskriver den proces, hvorved et kvantemekanisk system, som et molekyle, et atom eller en subatomær partikel, overgår til en lavere energitilstand vha. frigiver noget af sin energi i form af en foton. Forøgelse af hastigheden af ​​spontan emission i T-centre er en af ​​de forhindringer, som videnskabsmænd skal overvinde for at gøre T-center-baserede qubits levedygtige.

Ved at indlejre et T-center i et fotonisk integreret kredsløb øgede Songtao og hans team opsamlingseffektiviteten for T-center enkeltfotonemission med to størrelsesordener sammenlignet med typiske eksperimenter af konfokal-typen.

Ifølge undersøgelsen offentliggjort i Nature Communications , demonstrerede holdet, at kobling med et fotonisk krystalhulrum øger et T-centers fotonemissionshastighed med en faktor på syv ved at udnytte et fænomen kendt som Purcell-effekten.

"Målet med vores eksperiment var at demonstrere evnen til at modificere de optiske egenskaber af enkelt T-centre i silicium," sagde Rice kandidatstuderende og studie medforfatter Yu-En Wong. "Det viser sig, at den fotoniske hulrumsstruktur påvirker T-centerets fotonemissionshastighed. Ved at måle hastigheden med og uden hulrumsinteraktionen var vi i stand til at måle styrken af ​​koblingen mellem hulrummet og T-centret."

Koblingen mellem den fotoniske hulrumsstruktur og T-centret bliver stærkere, efterhånden som de udveksler fotonenergi i stigende grad, hvilket forkorter den tid, energien er lagret i T-centret.

"Dette er, hvad der almindeligvis er kendt som Purcell-effekten," sagde Rice-studerende og studiemedforfatter Adam Johnston.

"Det, vi har vist her, er, at vi kan implementere Purcell-effekten for at opnå den reneste enkeltfotonemission blandt alle farvecentre i silicium til dato og den største fotonemissionsforøgelse for et enkelt T-center."

Fundet er et væsentligt skridt i retning af at fremme kvantenetværk, som er afhængige af fotonernes kvanteegenskaber til at kode information, hvilket giver mulighed for både betydeligt mere kraftfuld databehandling samt forbedret sikkerhed.

"Sikkerheden ved kvantekommunikation er garanteret af kvantemekanikkens grundlæggende principper, hvilket muliggør detektering af aflytning med høj sandsynlighed og dermed forbedrer beskyttelsen af ​​følsomme data," sagde medforfatter Ulises Felix-Rendon, som sammen med Johnston og Wong forfølger en doktorgrad i anvendt fysik som en del af Chen-laboratoriet.

"Virksomheder som Google og IBM har vist betydelige fordele ved kvantecomputere i forhold til deres klassiske modparter," sagde Felix-Rendon.

"Menge af verdens mest avancerede kvantecomputere er dog begrænset til at sende information over ledninger, der er afkølet til kryogene temperaturer, hvilket begrænser skalerbarheden af ​​disse systemer. Vi håber, at vores arbejde vil være medvirkende til at udvikle kvantenetværk til at forbinde eksterne kvantecomputere og bevæge sig forbi. nuværende vejspærringer inden for kvanteteknologi."

Flere oplysninger: Adam Johnston et al., Cavity-koblet telekommunikationsatomkilde i silicium, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46643-8

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Rice University