En lovende parring:Forskere demonstrerer en ny kombination af materialer til kvantevidenskab

Kvanteinformationsforskere er altid på jagt efter vindende kombinationer af materialer, materialer, der kan manipuleres på molekylært niveau for pålideligt at lagre og overføre information. Efter en nylig proof-of-princip demonstration tilføjer forskere en ny kombination af forbindelser til kvantematerialelisten.

I en undersøgelse rapporteret i ACS Photonics , kombinerede forskere to strukturer i nanostørrelse - en lavet af diamant og en af ​​lithiumniobat - på en enkelt chip. De sendte derefter lys fra diamanten til lithiumniobatet og målte den brøkdel af lys, der med succes kom igennem.

Jo større andelen er, jo mere effektiv er koblingen af ​​materialerne, og jo mere lovende er parringen som en komponent i kvanteenheder.

Resultatet:En ekstraordinær 92 % af lyset gjorde springet fra diamant til lithiumniobat.

Forskningen blev delvist støttet af Q-NEXT, et US Department of Energy (DOE) National Quantum Information Science Research Center ledet af DOE's Argonne National Laboratory. Stanford Universitys Amir Safavi-Naeini og Jelena Vuckovic ledede undersøgelsen.

"Det var et spændende resultat at få 92 % effektivitet fra denne enhed," sagde Hope Lee, medforfatter og ph.d. studerende ved Stanford University og forsker, der arbejdede med Q-NEXT-direktør David Awschalom, mens han var bachelor på University of Chicago. "Det viste fordelene ved platformen."

Lidt om qubits

Kvanteteknologier udnytter særlige træk ved stof på molekylær skala til at behandle information. Kvantecomputere, netværk og sensorer forventes at have en enorm indflydelse på vores liv inden for områder som medicin, kommunikation og logistik.

Kvanteinformation leveres i pakker kaldet qubits, som kan antage mange former. I forskerholdets nye platform transmitterer qubits information som lyspartikler.

Pålidelige qubits er afgørende for teknologier såsom kvantekommunikationsnetværk. Som i traditionelle netværk rejser information i kvantenetværk fra en knude til en anden. Stationære qubits gemmer information i en knude; flyvende qubits bærer information mellem noder.

Forskerholdets nye chip ville danne grundlag for en stationær qubit. Jo mere robust den stationære qubit er, jo mere pålidelig er kvantenetværket, og jo større afstand kan netværk dække. Et kvantenetværk, der spænder over et kontinent, er inden for rækkevidde.

En væsentlig fordel

Diamond har længe været udråbt som et godt hjem for qubits. For det første kan en diamants molekylære struktur let manipuleres til at være vært for stationære qubits. For en anden kan en diamant-hostet qubit opretholde information i relativt lang tid, hvilket betyder mere tid til at udføre beregninger. Desuden udviser beregninger udført ved hjælp af diamant-hostede qubits høj nøjagtighed.

Diamonds partner i gruppens undersøgelse, lithiumniobat, er en anden stjerneudøver, når det kommer til behandling af kvanteinformation. Dens specielle egenskaber giver videnskabsmænd alsidighed ved at give dem mulighed for at ændre frekvensen af ​​lyset, der passerer gennem det.

For eksempel kan forskere anvende et elektrisk felt eller en mekanisk belastning på lithiumniobatet for at justere, hvordan det kanaliserer lys. Det er også muligt at vende orienteringen af ​​dens krystalstruktur. At gøre dette med jævne mellemrum er en anden måde at forme lysets passage gennem materialet.

"Du kan bruge disse egenskaber af lithium niobat til at konvertere og ændre lyset, der kommer fra diamanten, modulere det på måder, der er nyttige til forskellige eksperimenter," sagde Jason Herrmann, papir medforfatter og ph.d. studerende på Stanford. "For eksempel kan du grundlæggende konvertere lyset til en frekvens, der bruges af eksisterende kommunikationsinfrastruktur. Så disse egenskaber ved lithiumniobat er virkelig gavnlige."

En kraftfuld parring

Traditionelt kanaliseres lys fra diamant-hostede qubits ind i enten et fiberoptisk kabel eller et ledigt rum. I begge tilfælde er forsøgsopstillingen uhåndterlig. Fiberoptiske kabler er lange, hængende og floppy. Transmission af qubits til fri plads kræver omfangsrigt udstyr.

Alt det udstyr forsvinder, når lyset fra diamantens qubits i stedet kanaliseres til lithiumniobat. Næsten hver komponent kan placeres på en lille chip.

"Der er en fordel ved at have så mange af dine enheder og dine funktionaliteter som muligt på en enkelt chip," sagde Lee. "Det er mere stabilt. Og det giver dig virkelig mulighed for at miniaturisere dine opsætninger."

Ikke kun det, men fordi de to enheder er forbundet med en hvisketynd glødetråd – 1/100 af bredden af ​​et menneskehår – presses kvantelyset ind i den smalle passage, der fører til lithiumniobat, hvilket øger lysets interaktion med materialet. og gør det lettere at manipulere lysets egenskaber.

"Når alle de forskellige lyspartikler interagerer sammen i så lille et volumen, får du en meget højere effektivitet i konverteringsprocessen," sagde Herrmann. "At kunne gøre dette i den integrerede platform vil forhåbentlig give anledning til meget højere effektivitet sammenlignet med opsætningen med fibre eller ledig plads."

En udfordrende samling

En af udfordringerne ved at udvikle platformen var at manipulere diamanten - kun 300 nanometer bred - for at justere med lithiumniobatet.

"Vi var nødt til at stikke i diamanten med små bitte nåle for at flytte den rundt, indtil den synligt så ud som om den var på det rigtige sted på denne plade," sagde Lee. "Det er næsten, som om du prikker til det med små spisepinde."

At måle det overførte lys var en anden møjsommelig proces.

"Vi er nødt til virkelig at sikre, at vi tager højde for alle de steder, hvor lys transmitteres eller går tabt, for at kunne sige:'Dette er, hvor meget der går fra diamant til lithiumniobat'," sagde Herrmann. "Denne kalibreringsmåling tog meget frem og tilbage for at sikre, at vi gjorde det korrekt."

Holdet planlægger yderligere eksperimenter, der udnytter kvanteinformationsfordelene, som diamant og lithiumniobat tilbyder, både separat og sammen. Deres seneste succes er kun én milepæl i, hvad de håber vil være en mangfoldig menu af enheder baseret på de to materialer.

"Ved at sætte disse to materialeplatforme sammen og kanalisere lys fra den ene til den anden, viser vi, at i stedet for kun at arbejde med ét materiale, kan du virkelig få det bedste fra begge verdener," sagde Lee.

Flere oplysninger: Daniel Riedel et al., Effektiv fotonisk integration af diamantfarvecentre og tyndfilmslithiumniobat, ACS Photonics (2023). DOI:10.1021/acsphotonics.3c00992

Journaloplysninger: ACS Photonics

Leveret af Argonne National Laboratory