Wetenschap
Vooruitgang in kwantumnetwerken:studie bereikt tot nu toe de grootste verbetering van de fotonenemissie voor een enkel T-centrum
Ingenieurs van Rice University hebben een manier gedemonstreerd om de optische eigenschappen van atomaire onvolkomenheden in siliciummateriaal, bekend als T-centra, te beheersen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor het benutten van deze puntdefecten voor het bouwen van kwantumknooppunten voor grootschalige kwantumnetwerken.
"T-centra zijn een soort atomair defect in het reguliere rooster van silicium", zegt Songtao Chen, universitair docent elektrische en computertechniek.
"T-centra hebben de laatste tijd veel belangstelling gekregen omdat ze potentie hebben als qubit-bouwstenen voor kwantumnetwerken. Ze zenden afzonderlijke fotonen uit op een voordelige golflengte voor telecommunicatietoepassingen, maar ze hebben te lijden onder een lage fotonenemissie."
Spontane emissie – het fenomeen achter de bekende gloed van een vuurvlieg of andere glow-in-the-dark-effecten – beschrijft het proces waarbij een kwantummechanisch systeem, zoals een molecuul, atoom of subatomair deeltje, overgaat naar een lagere energietoestand door waarbij een deel van zijn energie vrijkomt in de vorm van een foton. Het verhogen van de snelheid van spontane emissie in T-centra is een van de hindernissen die wetenschappers moeten overwinnen om op T-centra gebaseerde qubits levensvatbaar te maken.
Door een T-centrum in een fotonisch geïntegreerd circuit in te bedden, verhoogden Songtao en zijn team de verzamelefficiëntie voor de emissie van afzonderlijke fotonen in het T-centrum met twee orden van grootte vergeleken met typische confocale experimenten.
Dat blijkt uit de studie gepubliceerd in Nature Communications heeft het team aangetoond dat koppeling met een fotonische kristalholte de fotonemissiesnelheid van een T-centrum met een factor zeven verhoogt, waarbij gebruik wordt gemaakt van een fenomeen dat bekend staat als het Purcell-effect.
"Het doel van ons experiment was om het vermogen aan te tonen om de optische eigenschappen van enkele T-centra in silicium te wijzigen", zegt Rice-afgestudeerde student en co-auteur van de studie Yu-En Wong. "Het blijkt dat de structuur van de fotonische holte invloed heeft op de fotonenemissiesnelheid van het T-centrum. Door de snelheid te meten met en zonder de holte-interactie, konden we de sterkte van de koppeling tussen de holte en het T-centrum meten." P>
De koppeling tussen de fotonische holtestructuur en het T-centrum wordt sterker naarmate ze steeds sneller fotonenenergie uitwisselen, waardoor de tijd dat energie in het T-centrum wordt opgeslagen wordt verkort.
"Dit is wat algemeen bekend staat als het Purcell-effect", zegt Adam Johnston, afgestudeerd student en co-auteur van Rice.
"Wat we hier hebben laten zien is dat we het Purcell-effect kunnen inzetten om de zuiverste emissie van afzonderlijke fotonen van alle kleurcentra in silicium tot nu toe te bereiken, en de grootste verbetering van de fotonenemissie voor een enkel T-centrum."
De bevinding is een belangrijke stap in de richting van de vooruitgang van kwantumnetwerken, die afhankelijk zijn van de kwantumeigenschappen van fotonen om informatie te coderen, wat zowel aanzienlijk krachtiger computergebruik als verbeterde beveiliging mogelijk maakt.
“De veiligheid van kwantumcommunicatie wordt gegarandeerd door de fundamenten van de kwantummechanica, waardoor detectie van afluisteraars met een grote waarschijnlijkheid mogelijk wordt en daarmee de bescherming van gevoelige gegevens wordt verbeterd”, zegt medeauteur Ulises Felix-Rendon, die samen met Johnston en Wong onderzoek doet een doctoraat in de toegepaste natuurkunde als onderdeel van het Chen-lab.
"Bedrijven als Google en IBM hebben aanzienlijke voordelen van kwantumcomputers aangetoond ten opzichte van hun klassieke tegenhangers", aldus Felix-Rendon.
"Veel van 's werelds meest geavanceerde kwantumcomputers zijn echter beperkt tot het verzenden van informatie via draden die zijn gekoeld tot cryogene temperaturen, wat de schaalbaarheid van deze systemen beperkt. We hopen dat ons werk een belangrijke rol zal spelen bij het ontwikkelen van kwantumnetwerken om op afstand gelegen kwantumcomputers met elkaar te verbinden en verder te gaan huidige wegversperringen in de kwantumtechnologie."