Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun medewerkers hebben een nieuwe stap voorwaarts gezet in de zoektocht naar het bouwen van kwantumfotonische circuits - op chips gebaseerde apparaten die afhankelijk zijn van de kwantumeigenschappen van licht om informatie snel en veilig te verwerken en te communiceren .

De door het team ontwikkelde kwantumcircuitarchitectuur is een van de eersten die twee verschillende soorten optische apparaten combineert, gemaakt van verschillende materialen, op een enkele chip - een halfgeleiderbron die op verzoek efficiënt afzonderlijke lichtdeeltjes (fotonen) genereert, en een netwerk van "golfgeleiders" die die fotonen met weinig verlies over het circuit transporteren. Maximaliseren van het aantal fotonen, idealiter identieke eigenschappen hebben, is van cruciaal belang voor het mogelijk maken van toepassingen zoals beveiligde communicatie, precisie meting, voelen en rekenen, met potentieel betere prestaties dan die van bestaande technologieën.

De architectuur, ontwikkeld door Marcelo Davanco en andere NIST-onderzoekers samen met medewerkers uit China en het VK, maakt gebruik van een halfgeleiderstructuur op nanometerschaal, een kwantumpunt genaamd, gemaakt van indiumarsenide, om individuele fotonen te genereren op dezelfde chip als de optische golfgeleiders, gemaakt van siliciumnitride. Het combineren van deze twee materialen vereist speciale verwerkingstechnieken. Dergelijke hybride circuitarchitecturen kunnen bouwstenen worden voor complexere systemen.

Eerder, kwantum geïntegreerde fotonische circuits bestonden meestal uit alleen passieve apparaten zoals golfgeleiders en bundelsplitsers, die fotonen doorlaten of laten samensmelten. De fotonen zelf moesten nog buiten de chip worden geproduceerd, en het op de chip krijgen resulteerde in verliezen, wat de prestaties van het circuit aanzienlijk verslechterde. Circuitarchitecturen die wel kwantumlichtgeneratie op een chip bevatten, bevatten ofwel bronnen die alleen willekeurig en met lage snelheden produceerden - wat de prestaties beperkt - of hadden bronnen waarin het ene foton niet noodzakelijk identiek was aan het andere. In aanvulling, de fabricageprocessen die deze eerdere architecturen ondersteunen, maakten het moeilijk om het aantal op te schalen, grootte en complexiteit van de fotonische circuits.

In tegenstelling tot, de nieuwe architectuur en de fabricageprocessen die het team heeft ontwikkeld, moeten onderzoekers in staat stellen op betrouwbare wijze grotere circuits te bouwen, die complexere berekeningen of simulaties zouden kunnen uitvoeren en zich vertalen in een hogere meetnauwkeurigheid en detectiegevoeligheid in andere toepassingen.

De kwantumdot die door het team wordt gebruikt, is een goed bestudeerde structuur op nanometerschaal:een eiland van de halfgeleider indiumarsenide omgeven door galliumarsenide. De nanostructuur van indiumarsenide/galliumarsenide werkt als een kwantumsysteem met twee energieniveaus:een grondtoestand (lager energieniveau) en een aangeslagen toestand (hoger energieniveau). Wanneer een elektron in de aangeslagen toestand energie verliest door naar de grondtoestand te vallen, het zendt een enkel foton uit.

In tegenstelling tot de meeste soorten emitters met twee niveaus die in de vaste toestand bestaan, Van deze kwantumstippen is aangetoond dat ze betrouwbaar genereren, op aanvraag, en met hoge snelheden - de enkele fotonen die nodig zijn voor kwantumtoepassingen. In aanvulling, onderzoekers hebben ze op nanoschaal kunnen plaatsen, lichtbeperkende ruimten die een grote versnelling van de emissiesnelheid van één foton mogelijk maken, en in principe zou er ook voor kunnen zorgen dat de kwantumstip wordt geëxciteerd door een enkel foton. Hierdoor kunnen de kwantumstippen direct helpen bij het verwerken van informatie in plaats van alleen maar stromen fotonen te produceren.

Het andere deel van de hybride circuitarchitectuur van het team bestaat uit passieve golfgeleiders gemaakt van siliciumnitride, bekend om hun vermogen om fotonen over het oppervlak van een chip te verzenden met een zeer laag fotonverlies. Hierdoor kunnen door kwantumdots gegenereerde fotonen efficiënt samensmelten met andere fotonen bij een bundelsplitser, of interactie met andere circuitelementen zoals modulatoren en detectoren.

"We krijgen het beste van twee werelden, met elk heel goed samen gedragen op een enkel circuit, "zei Davanco. In feite, de hybride architectuur behoudt de hoge prestaties die worden bereikt in apparaten die uitsluitend van elk van de twee materialen zijn gemaakt, met weinig degradatie wanneer ze worden samengevoegd. Hij en zijn collega's beschreven het werk in een recent nummer van Natuurcommunicatie .

Om de hybride apparaten te maken, Davanco en zijn collega's bonden eerst twee wafels aan elkaar - een met de kwantumstippen, de andere bevat het siliciumnitride golfgeleidermateriaal. Ze gebruikten een variant van een proces dat oorspronkelijk was ontwikkeld voor het maken van hybride fotonische lasers, die silicium combineerde voor golfgeleiders en samengestelde halfgeleiders voor klassieke lichtemissie. Toen de verlijming klaar was, de twee materialen werden vervolgens gebeeldhouwd met een resolutie op nanometerschaal in hun uiteindelijke geometrieën door middel van state-of-the-art patroonvorming en etstechnieken voor halfgeleiderinrichtingen.

Hoewel deze techniek voor het plakken van wafels meer dan tien jaar geleden door andere onderzoekers is ontwikkeld, het team is de eerste die het toepast bij het maken van geïntegreerde kwantumfotonische apparaten.

"Omdat we expertise hebben in zowel fabricage als kwantumfotonica, het leek duidelijk dat we dit proces konden lenen en aanpassen om deze nieuwe architectuur te creëren, " merkt Davanco op.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.