Kwantuminformatiewetenschappers zijn altijd op zoek naar winnende combinaties van materialen, materialen die op moleculair niveau kunnen worden gemanipuleerd om op betrouwbare wijze informatie op te slaan en te verzenden. Na een recente proof-of-principle-demonstratie voegen onderzoekers een nieuwe combinatie van verbindingen toe aan het rooster van kwantummaterialen.

In een onderzoek gerapporteerd in ACS Photonics combineerden onderzoekers twee structuren van nanoformaat – één gemaakt van diamant en één van lithiumniobaat – op één enkele chip. Vervolgens stuurden ze licht van de diamant naar het lithiumniobaat en maten de fractie licht die met succes de overkant bereikte.

Hoe groter die fractie, hoe efficiënter de koppeling van de materialen en hoe veelbelovender de koppeling als component in kwantumapparaten.

Het resultaat:maar liefst 92% van het licht maakte de sprong van diamant naar lithiumniobaat.

Het onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door Q-NEXT, een National Quantum Information Science Research Center van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) onder leiding van het Argonne National Laboratory van DOE. Amir Safavi-Naeini en Jelena Vuckovic van Stanford University leidden het onderzoek.

"Het was een opwindend resultaat om een ​​efficiëntie van 92% uit dit apparaat te halen", zegt Hope Lee, co-auteur van het artikel en een Ph.D. student aan Stanford University en onderzoeker die samenwerkte met Q-NEXT-directeur David Awschalom tijdens zijn studie aan de Universiteit van Chicago. "Het toonde de voordelen van het platform."

Een beetje over qubits

Kwantumtechnologieën maken gebruik van speciale kenmerken van materie op moleculaire schaal om informatie te verwerken. Er wordt verwacht dat kwantumcomputers, netwerken en sensoren een enorme impact zullen hebben op ons leven op gebieden als geneeskunde, communicatie en logistiek.

Kwantuminformatie wordt geleverd in pakketten die qubits worden genoemd en die vele vormen kunnen aannemen. In het nieuwe platform van het onderzoeksteam verzenden qubits informatie als lichtdeeltjes.

Betrouwbare qubits zijn van cruciaal belang voor technologieën zoals kwantumcommunicatienetwerken. Net als in traditionele netwerken reist informatie in kwantumnetwerken van het ene knooppunt naar het andere. Stationaire qubits slaan informatie op binnen een knooppunt; vliegende qubits dragen informatie over tussen knooppunten.

De nieuwe chip van het onderzoeksteam zou de basis vormen van een stationaire qubit. Hoe robuuster de stationaire qubit, hoe betrouwbaarder het kwantumnetwerk en hoe groter de afstand die netwerken kunnen overbruggen. Een kwantumnetwerk dat een continent omspant ligt binnen handbereik.

Een materieel voordeel

Diamond wordt al lang aangeprezen als een geweldig thuis voor qubits. Ten eerste kan de moleculaire structuur van een diamant gemakkelijk worden gemanipuleerd om stationaire qubits te hosten. Aan de andere kant kan een door diamanten gehoste qubit informatie relatief lang bewaren, wat betekent dat er meer tijd is voor het uitvoeren van berekeningen. Bovendien vertonen berekeningen die worden uitgevoerd met behulp van door diamanten gehoste qubits een hoge nauwkeurigheid.

Diamond's partner in het onderzoek van de groep, lithiumniobaat, is een andere ster als het gaat om het verwerken van kwantuminformatie. De speciale eigenschappen ervan geven wetenschappers veelzijdigheid doordat ze de frequentie van het licht dat erdoorheen gaat, kunnen veranderen.

Onderzoekers kunnen bijvoorbeeld een elektrisch veld of een mechanische belasting op het lithiumniobaat toepassen om aan te passen hoe het licht kanaliseert. Het is ook mogelijk om de oriëntatie van de kristalstructuur om te draaien. Dit met regelmatige tussenpozen doen is een andere manier om de lichtdoorgang door het materiaal vorm te geven.

"Je kunt deze eigenschappen van lithiumniobaat gebruiken om het licht dat uit de diamant komt, om te zetten en te veranderen, en het te moduleren op manieren die nuttig zijn voor verschillende experimenten", zegt Jason Herrmann, co-auteur van het artikel en een Ph.D. student aan Stanford. "Je kunt het licht bijvoorbeeld in principe omzetten in een frequentie die wordt gebruikt door de bestaande communicatie-infrastructuur. Die eigenschappen van lithiumniobaat zijn dus echt nuttig."

Een krachtige combinatie

Traditioneel wordt licht van door diamanten gehoste qubits naar een glasvezelkabel of vrije ruimte geleid. In beide gevallen is de experimentele opzet onpraktisch. Glasvezelkabels zijn lang, bungelend en slap. Voor het verzenden van qubits naar de vrije ruimte is omvangrijke apparatuur nodig.

Al die apparatuur verdwijnt wanneer het licht van de qubits van de diamant in plaats daarvan naar lithiumniobaat wordt gekanaliseerd. Bijna elk onderdeel kan op één kleine chip worden geplaatst.

"Het heeft een voordeel om zoveel mogelijk van je apparaten en functionaliteiten op één chip te hebben", zegt Lee. "Het is stabieler. En je kunt je instellingen echt miniaturiseren."

En niet alleen dat, maar omdat de twee apparaten met elkaar zijn verbonden door een fluisterdun filament – ​​1/100 van de breedte van een mensenhaar – wordt het kwantumlicht in de nauwe doorgang geperst die naar lithiumniobaat leidt, waardoor de interactie van het licht met het materiaal toeneemt. en het gemakkelijker maken om de eigenschappen van licht te manipuleren.

"Als alle verschillende lichtdeeltjes in zo'n klein volume met elkaar interacteren, krijg je een veel hogere efficiëntie in het conversieproces", zei Hermann. "Als we dit in het geïntegreerde platform kunnen doen, zal dit hopelijk leiden tot veel hogere efficiëntie vergeleken met de opstelling met vezels of vrije ruimte."

Een uitdagende montage

Een van de uitdagingen bij de ontwikkeling van het platform was het manipuleren van de diamant – slechts 300 nanometer breed – om op één lijn te komen met het lithiumniobaat.

"We moesten met kleine naaldjes in de diamant prikken om hem te verschuiven totdat het er zichtbaar uitzag alsof hij op de juiste plek op deze plaat zat", zei Lee. "Het is bijna alsof je er met kleine stokjes in prikt."

Het meten van het overgedragen licht was een ander moeizaam proces.

"We moeten er echt voor zorgen dat we rekening houden met alle plaatsen waar licht wordt doorgelaten of verloren gaat om te kunnen zeggen:'Dit is hoeveel er gaat van diamant naar lithiumniobaat'," zei Hermann. "Die kalibratiemeting kostte veel heen en weer om er zeker van te zijn dat we het correct deden."

Het team plant verdere experimenten die gebruik maken van de kwantuminformatievoordelen die diamant en lithiumniobaat bieden, zowel afzonderlijk als samen. Hun laatste succes is slechts één mijlpaal in wat zij hopen dat een gevarieerd menu van apparaten zal zijn, gebaseerd op de twee materialen.

"Door deze twee materiaalplatforms samen te voegen en licht van de een naar de ander te kanaliseren, laten we zien dat je, in plaats van met slechts één materiaal te werken, echt het beste van twee werelden kunt hebben", aldus Lee.

Meer informatie: Daniel Riedel et al, Efficiënte fotonische integratie van diamantkleurcentra en dunnefilm-lithiumniobaat, ACS Photonics (2023). DOI:10.1021/acsphotonics.3c00992

Journaalinformatie: ACS Fotonica

Geleverd door Argonne National Laboratory