Een internationaal team onder leiding van het Institute for Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago heeft ontdekt hoe een vreemde kwantuminterface tussen licht en materie in siliciumcarbide kan worden gemanipuleerd langs golflengten die in telecommunicatie worden gebruikt.

Het werk bevordert de mogelijkheid om kwantummechanische principes toe te passen op bestaande glasvezelnetwerken voor veilige communicatie en geografisch gedistribueerde kwantumberekening. Prof. David Awschalom en zijn 13 co-auteurs kondigden hun ontdekking aan in het nummer van 23 juni van: Fysieke beoordeling X .

"Siliciumcarbide wordt momenteel gebruikt om een ​​breed scala aan klassieke elektronische apparaten te bouwen, " zei Awschalom, de Liew Family Professor in Molecular Engineering aan UChicago en een senior scientist bij Argonne National Laboratory. "Alle verwerkingsprotocollen zijn aanwezig om kleine kwantumapparaten uit dit materiaal te fabriceren. Deze resultaten bieden een pad om de kwantumfysica in de technologische wereld te brengen."

De bevindingen zijn gedeeltelijk gebaseerd op theoretische modellen van de materialen die zijn uitgevoerd door Awschalom's co-auteurs aan de Hongaarse Academie van Wetenschappen in Boedapest. Een andere onderzoeksgroep aan de Zweedse Universiteit van Linköping kweekte veel van het siliciumcarbidemateriaal dat het team van Awschalom testte in experimenten bij UChicago. En een ander team van de National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology in Japan hielp de UChicago-onderzoekers om kwantumdefecten in de materialen te maken door ze te bestralen met elektronenstralen.

Kwantummechanica regelt het gedrag van materie op atomair en subatomair niveau op exotische en contra-intuïtieve manieren in vergelijking met de alledaagse wereld van de klassieke fysica. De nieuwe ontdekking hangt af van een kwantuminterface binnen defecten op atomaire schaal in siliciumcarbide die de fragiele eigenschap van verstrengeling genereert, een van de vreemdste fenomenen voorspeld door de kwantummechanica.

Verstrengeling betekent dat twee deeltjes zo onlosmakelijk met elkaar verbonden kunnen zijn dat de toestand van het ene deeltje onmiddellijk de toestand van het andere kan beïnvloeden, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn.

"Deze niet-intuïtieve aard van de kwantummechanica kan worden misbruikt om ervoor te zorgen dat communicatie tussen twee partijen niet wordt onderschept of gewijzigd, ' zei Awschalom.

Kwantummechanica benutten

De bevindingen vergroten de eens onverwachte mogelijkheid om kwantumtoestanden te creëren en te beheersen in materialen die al technologische toepassingen hebben, merkte Awschalom op. Het nastreven van het wetenschappelijke en technologische potentieel van dergelijke vooruitgang zal de focus worden van de nieuw aangekondigde Chicago Quantum Exchange, die Awschalom zal regisseren.

Een bijzonder intrigerend aspect van het nieuwe artikel was dat halfgeleiderdefecten van siliciumcarbide een natuurlijke affiniteit hebben voor het verplaatsen van informatie tussen licht en spin (een magnetische eigenschap van elektronen). "Een belangrijke onbekende is altijd geweest of we een manier konden vinden om hun kwantumtoestanden om te zetten in licht, " zei David Christle, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Chicago en hoofdauteur van het werk. "We wisten dat er een licht-materie-interface zou moeten bestaan, maar we hadden misschien pech gehad en vonden het intrinsiek ongeschikt om verstrikking te veroorzaken. We hadden het geluk dat de optische overgangen en het proces dat de spin in licht omzet, van zeer hoge kwaliteit is."

Het defect is een ontbrekend atoom dat ervoor zorgt dat nabijgelegen atomen in het materiaal hun elektronen herschikken. Het ontbrekende atoom, of het defect zelf, creëert een elektronische toestand die onderzoekers controleren met een afstembare infraroodlaser.

"Wat kwaliteit in feite betekent, is:hoeveel fotonen kun je krijgen voordat je de kwantumtoestand van de spin hebt vernietigd?" zei Abram Falk, een onderzoeker aan het IBM Thomas J. Watson Resarch Center in Yorktown Heights, NY, die bekend is met het werk, maar geen co-auteur van het papier is.

De UChicago-onderzoekers ontdekten dat ze mogelijk tot 10, 000 fotonen, of pakjes licht, voordat ze de spin-status vernietigden. "Dat zou een wereldrecord zijn in termen van wat je zou kunnen doen met een van dit soort defecte toestanden, ' voegde Falk eraan toe.

Het team van Awschalom was in staat om de kwantumtoestand van informatie van enkele elektronspins in commerciële wafels van siliciumcarbide in licht om te zetten en uit te lezen met een efficiëntie van ongeveer 95 procent.

Coherentie in milliseconden

De duur van de spintoestand - coherentie genaamd - die het team van Awschalom bereikte, was een milliseconde. Niet veel volgens kloknormen, maar heel veel op het gebied van kwantumtoestanden, waarin meerdere berekeningen in een nanoseconde kunnen worden uitgevoerd, of een miljardste van een seconde.

De prestatie opent nieuwe mogelijkheden in siliciumcarbide omdat de defecten op nanoschaal een toonaangevend platform zijn voor nieuwe technologieën die proberen kwantummechanische eigenschappen te gebruiken voor de verwerking van kwantuminformatie, magnetische en elektrische velden en temperatuur detecteren met een resolutie op nanoschaal, en veilige communicatie met behulp van licht.

"Er is ongeveer een miljardenindustrie van vermogenselektronica gebouwd op siliciumcarbide, ' zei Falk. 'Na dit werk, er is een kans om een ​​platform voor kwantumcommunicatie te bouwen dat gebruikmaakt van deze zeer geavanceerde klassieke apparaten in de halfgeleiderindustrie, " hij zei.

De meeste onderzoekers die defecten voor kwantumtoepassingen bestuderen, hebben zich gericht op een atomair defect in diamant, dat een populair testbed voor zichtbaar licht voor deze technologieën is geworden.

"Diamond is deze enorme industrie van kwantumcontrolewerk geweest, ", merkte Falk op. Tientallen onderzoeksgroepen in het hele land hebben meer dan een decennium besteed aan het perfectioneren van het materiaal om de normen te bereiken die de groep van Awschalom na slechts een paar jaar onderzoek onder de knie heeft in siliciumcarbide.

Siliciumcarbide veelzijdigheid

"Er zijn veel verschillende vormen van siliciumcarbide, en sommige ervan worden tegenwoordig veel gebruikt in de elektronica en opto-elektronica, " zei Awschalom. "Kwantumtoestanden zijn aanwezig in alle vormen van siliciumcarbide die we hebben onderzocht. Dit is een goed voorteken voor het introduceren van kwantummechanische effecten in zowel elektronische als optische technologieën."

Onderzoekers beginnen zich nu af te vragen of dit soort natuurkunde ook in andere materialen werkt, merkte Falk op.

"Bovendien, kunnen we rationeel een defect ontwerpen dat de eigenschappen heeft die we willen, niet zomaar tegen een aanlopen?" vroeg hij.

Defecten zijn de sleutel.

"De elektronica-industrie heeft decennialang talloze trucs bedacht om alle defecten van hun apparaten te verwijderen, omdat defecten vaak problemen veroorzaken in conventionele elektronica, " legde Awschalom uit. "Ironisch genoeg, we brengen de defecten terug voor kwantumsystemen."