Предоставлено: Гарвардская школа инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона.

Прогресс, о котором Эвелин Ху и ее команда из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) сообщили в Nature Materials , может обеспечить лучший контроль над временем и мощностью выходных данных кубитов.

«Это, по сути, «дефектные» материалы; в идеальной кристаллической структуре отсутствует атом или вакансия », — говорит Ху, старший автор статьи и профессор прикладной физики и электротехники Tarr-Coyne в МОРЯ. «Вакансия имеет свои собственные электронные состояния, у нее есть определенный спин, и она может испускать фотоны с определенной длиной волны».

Эти дефекты и длины волн света, которые они излучают, иногда называют центрами окраски, потому что они могут придавать алмазам и другим кристаллам красивые цвета. Но внутри наноразмерной полости в фотонном материале, который преломляет свет, управляет им или манипулирует им, эти дефекты могут действовать как оптические излучатели информации.

«Наша команда действительно заинтересована в формировании этих дефектов и в том, как они могут вести себя как кубиты в квантовой сети. Соединение массива дефектов в нанофотонных полостях посредством запутывания позволит передавать квантовую информацию», — говорит Аарон Дэй, один из первых автор бумаги. Он и другой соавтор статьи, Джонатан Дитц, оба имеют докторскую степень в области прикладной физики в лаборатории Ху.

Однако до сих пор не было способа полностью контролировать точное расположение оптических излучателей в наноразмерных полостях, не повреждая остальную часть кристаллической структуры материала.

Как правило, процесс создания излучателей в таких полостях, которые в 100 раз меньше ширины человеческого волоса, требует разрушения кристаллической структуры материала с помощью ионов или лазеров с меньшей шириной запрещенной зоны. (Ширина запрещенной зоны относится к минимальному количеству энергии, необходимой для возбуждения электронов материала, чтобы они могли свободно проводить ток.) Но оборудование для ионной имплантации недоступно в большинстве лабораторий. И Ху говорит, что оба традиционных метода представляют собой «грубую силу» использования кинетической энергии, которая неэффективна и трудно поддается контролю — больше похожа на пескоструйную очистку, чем на тщательное бурение.

«Чтобы сделать то, что мы хотели сделать, мы знали, что нам нужно разработать очень точные инструменты», — говорит Ху.

Команда сравнивает свое решение со стилусом и шаблоном, используя лазер (стилус, делающий письмо) и полость (шаблон, в который пишут) для формирования и характеристики образования вакансии. «Мы хотели сделать это, используя импульсы света с большей шириной запрещенной зоны», — содержащие больше фотонной энергии, чем лазеры с меньшей шириной запрещенной зоны, — «чтобы более эффективно передавать энергию от лазерного «стилуса» к «шаблону» материала», — сказал Дэй.

Во-первых, Дэй и Дитц изготовили устройства с нанофотонными резонаторами из карбида кремния промышленного качества в чистой комнате, что потребовало много времени и усилий. Затем они провели эксперименты, чтобы попытаться создать оптические излучатели именно там, где они хотели внутри полостей.

«Сначала наши лазерные импульсы взрывали наши полости — по сути, взрывали их», — говорит Дэй, но результат был далек от идеального. «Нам нужно было резко уменьшить энергию лазера».

Путем проб и ошибок они определили, сколько энергии и сколько энергии необходимо для создания желаемого излучателя при сохранении остальной части резонатора без «взрыва». Они также встроили в свою систему дополнительный «считывающий» лазер, позволяющий им оценивать резонансные или фотонные сигналы, испускаемые резонаторами до и после того, как он был импульсирован дефектообразующим лазером.

«Одна из самых крутых вещей, которые мы обнаружили, — это то, что мы могли контролировать полость, делать один лазерный импульс для создания оптического излучателя, а затем получать данные о немедленных изменениях в полости», — говорит Дэй.

«Самый захватывающий потенциал нашей работы заключается в создании масштабируемого количества кубитов. Средства создания и оценки эмиттеров в режиме реального времени значительно упрощают выбор полости с нужными свойствами и надежно превращают ее в носитель квантовой информации».", - говорит Дитц.

Более того, команда Ху говорит, что их подход может быть широко полезен для ряда фундаментальных вопросов.

«Поскольку мы формируем дефекты внутри полостей, мы можем использовать эти полости, чтобы мгновенно сообщать нам информацию о местной материальной среде — используя ее как «наноскоп» для исследования характеристик атомных дефектов», — добавляет Дэй. «Сочетание этого нового лазерного стилуса с шаблоном использования резонансов полости для предоставления нам обратной связи в реальном времени позволяет нам беспрепятственно писать и улучшать устройства. Вместе эти два инструмента более эффективны, чем любой из них по отдельности».