Исследователи разработали гибридную фотонную платформу, которая объединяет квантовые излучатели с фотонными устройствами, обеспечивая надежный контроль взаимодействия между фотонами и носителями квантовой информации. Чип, сочетающий фосфид галлия (GaP) с алмазной подложкой, может сделать квантовые сети более практичными, позволяя соединять квантовые устройства на больших расстояниях. Об этом пишет сайт Phys.org.
Для масштабирования квантовых технологий в коммуникационные сети необходимо соединять квантовые памяти (кубиты) на больших расстояниях. Хотя оптоволоконные сети предлагают многообещающий способ передачи оптических сигналов, ключевая проблема — надежно преобразовывать информацию, хранящуюся в кубитах, в оптические фотоны, которые могут путешествовать по сети.
Платформа GaP-на-алмазе решает эту задачу, обеспечивая контролируемое взаимодействие между фотонами и кубитами — кремниево-вакансионными (SiV) центрами в алмазе. GaP также обладает сильными нелинейными свойствами, позволяющими преобразовывать частоту, переключать и модулировать оптические сигналы, что необходимо для сетевых приложений.
В журнале Optica Quantum исследователи под руководством Кай-Мей К. Фу из Вашингтонского университета и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории описали новую платформу и масштабируемый процесс изготовления. Они создали более 600 GaP-нанофотонных резонаторов на алмазной подложке с выходом 99,5%.
В 2023 году группа Фу показала возможность изготовления устройств без модификации алмаза с помощью масштабируемого процесса штамповки, но оптические взаимодействия были недостаточно сильны. В новой работе они перепроектировали структуру и довели выход процесса почти до 100%, интегрировав оптимизацию пространственного разделения SiV и фотоники.
Новая платформа сочетает преимущества двух материалов: нетравленый алмаз обеспечивает идеальную среду для сильного взаимодействия SiV-фотон, а GaP позволяет интегрировать оптические компоненты, такие как переключатели и модуляторы, непосредственно в чип. Устройства достигли кооперативности выше единицы, что позволяет надежно считывать спиновое состояние SiV по рассеянному свету. Время спиновой релаксации превысило 0,4 миллисекунды, что обеспечило однократное считывание электронного спина.
Исследователи планируют соединить несколько SiV-устройств на одном чипе для создания более крупного квантового регистра и оптимизировать процесс производства. Гибридный подход может быть применен и к другим квантовым излучателям, например, на основе карбида кремния или 2D-материалов, что открывает новые возможности для масштабирования квантовых технологий.