Формирование и распознавание оптических излучателей в режиме реального времени

В поисках новых методов создания квантовых сетей исследователи Гарвардского университета разработали новую лазерную стратегию создания одноатомных приповерхностных дефектов материала, которые можно использовать для формирования кубитов, наиболее фундаментальных единиц квантовых вычислений. Команда также открыла метод в реальном времени для измерения и описания формирования оптических эмиттеров внутри наноразмерных полостей.

Это достижение, о котором сообщили в журнале Nature Materials Эвелин Ху и ее команда из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), может позволить лучше контролировать время и мощность выходных кубитов.

«По сути, это «дефектные» материалы; в идеальной кристаллической структуре отсутствует атом или вакансия», — говорит Ху, старший автор статьи и профессор прикладной физики и электротехники Тарра-Койна в Университете Тарра-Койна. МОРЯ. «Вакансия имеет свои собственные электронные состояния, определенный спин и потенциал испускать фотоны определенной длины волны».

Эти дефекты и длины волн излучаемого ими света иногда называют центрами окраски, поскольку они могут придавать алмазам и другим кристаллам красивые цвета. Но внутри наноразмерной полости фотонного материала, который преломляет, контролирует или манипулирует светом, 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 множества дефектов в нанофотонных полостях посредством запутанности позволило бы передавать квантовую информацию», — говорит Аарон Дэй, один из первых исследователей. автор статьи. Он и другой соавтор статьи, Джонатан Дитц, оба являются докторами философии по прикладной физике. кандидаты в лаборатории Ху.

Однако до сих пор не было способа полностью контролировать точное расположение оптических эмиттеров в наноразмерных полостях, не повреждая при этом остальную кристаллическую структуру материала.

Как правило, процесс создания излучателей внутри таких полостей (в 100 раз меньше ширины человеческого волоса) требует разрушения кристаллической структуры материала с помощью ионов или лазеров, находящихся ниже запрещенной зоны. (Зона 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. Ху говорит, что оба традиционных метода представляют собой «грубое» использование кинетической энергии, которое неэффективно и трудно контролировать – оно больше похоже на пескоструйную очистку, чем на тщательное сверление.

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

Команда сравнивает свое решение со стилусом и шаблоном, используя лазер (стилус, пишущий) и полость (шаблон, в который пишут) для формирования и характеристики образования вакансий. «Мы хотели сделать это, используя световые импульсы, находящиеся за запрещенной зоной» — содержащие больше энергии фотонов, чем лазеры за запрещенной зоной — «чтобы более эффективно передавать энергию от лазерного «иглы» к материальному «шаблону», — сказал Дэй. говорит.

Во-первых, Дэй и Дитц изготовили нанофотонные устройства с резонаторами из карбида кремния промышленного класса в чистой комнате, что было трудоёмким и кропотливым занятием. Затем они провели эксперименты, пытаясь создать оптические излучатели именно там, где они хотели, внутри полостей.

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

Методом проб и ошибок они определили, сколько энергии и сколько энергии нужно, чтобы создать нужный излучатель, сохранив при этом остальную часть резонатора, не вызвав «взрыва». Они также встроили в свою систему дополнительный «считывающий» лазер, позволяющий оценивать резонансные или фотонные сигналы, испускаемые резонатором до и после импульса лазера, образующего дефекты.

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