Das Quanteninternet ließe sich viel einfacher aufbauen, wenn wir vorhandene Telekommunikationstechnologien und -infrastrukturen nutzen könnten. In den letzten Jahren haben Forscher Defekte in Silizium – einem weit verbreiteten Halbleitermaterial – entdeckt, die zum Senden und Speichern von Quanteninformationen über weit verbreitete Telekommunikationswellenlängen genutzt werden könnten. Könnten diese Defekte in Silizium unter allen vielversprechenden Kandidaten die beste Wahl sein, um Qubits für die Quantenkommunikation zu beherbergen?
„Da draußen herrscht immer noch Wilder Westen“, sagt Evelyn Hu, Tarr-Coyne-Professorin für angewandte Physik und Elektrotechnik an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).
„Obwohl neue Defektkandidaten eine vielversprechende Plattform für Quantenspeicher darstellen, weiß man oft fast nichts darüber, warum zu ihrer Erzeugung bestimmte Rezepte verwendet werden und wie man sie und ihre Wechselwirkungen schnell charakterisieren kann, selbst in Ensembles.
„Und letztlich: Wie können wir ihr Verhalten so optimieren, dass sie identische Eigenschaften aufweisen? Wenn wir aus dieser weiten Welt der Möglichkeiten jemals eine Technologie machen wollen, müssen wir Wege finden, sie besser, schneller und effizienter zu charakterisieren.“
Nun haben Hu und ein Forscherteam eine Plattform entwickelt, um diese potenziell leistungsstarken Quantensysteme zu untersuchen, mit ihnen zu interagieren und sie zu steuern. Das Gerät verwendet eine einfache elektrische Diode, eine der häufigsten Komponenten in Halbleiterchips, um Qubits in einem kommerziellen Silizium-Wafer zu manipulieren.
Mit diesem Gerät konnten die Forscher untersuchen, wie der Defekt auf Änderungen im elektrischen Feld reagiert, seine Wellenlänge innerhalb des Telekommunikationsbands abstimmen und ihn sogar ein- und ausschalten.
„Das Spannendste an diesen Defekten in Silizium ist, dass man gut erforschte Bauelemente wie Dioden aus diesem bekannten Material nutzen kann, um ein ganz neues Quantensystem zu verstehen und etwas Neues damit zu machen“, sagte Aaron Day, Doktorand bei SEAS. Day leitete die Arbeit gemeinsam mit Madison Sutula, einer wissenschaftlichen Mitarbeiterin in Harvard.
Während das Forschungsteam diesen Ansatz zur Charakterisierung von Defekten in Silizium verwendete, könnte er als Diagnose- und Kontrolltool für Defekte in anderen Materialsystemen eingesetzt werden.
Die Forschung ist veröffentlicht In Naturkommunikation.
Quantendefekte, auch Farbzentren oder Quantenemitter genannt, sind Unvollkommenheiten in ansonsten perfekten Kristallgittern, die einzelne Elektronen einfangen können. Wenn diese Elektronen mit einem Laser getroffen werden, emittieren sie Photonen in bestimmten Wellenlängen.
Die Defekte in Silizium, die die Forscher für die Quantenkommunikation am meisten interessieren, sind als G-Zentren und T-Zentren bekannt. Wenn diese Defekte Elektronen einfangen, emittieren die Elektronen Photonen in einer Wellenlänge, die als O-Band bezeichnet wird und in der Telekommunikation weit verbreitet ist.
Bei dieser Forschung konzentrierte sich das Team auf G-Zentrumsdefekte. Als erstes mussten sie herausfinden, wie man sie erzeugt. Im Gegensatz zu anderen Arten von Defekten, bei denen ein Atom aus einem Kristallgitter entfernt wird, entstehen G-Zentrumsdefekte durch das Hinzufügen von Atomen zum Gitter, insbesondere Kohlenstoff. Hu, Day und der Rest des Forschungsteams stellten jedoch fest, dass das Hinzufügen von Wasserstoffatomen ebenfalls entscheidend ist, um den Defekt gleichmäßig zu bilden.
Als nächstes stellten die Forscher elektrische Dioden her und nutzten dabei einen neuen Ansatz, bei dem der Defekt optimal in der Mitte jedes Geräts eingeschlossen wird, ohne die Leistung des Defekts oder der Diode zu beeinträchtigen.
Mit dieser Fertigungsmethode können Hunderte von Geräten mit eingebetteten Defekten auf einem kommerziellen Wafer hergestellt werden. Das Team schloss das gesamte Gerät an, um eine Spannung oder ein elektrisches Feld anzulegen, und stellte fest, dass die Defekte erloschen und dunkel wurden, wenn eine negative Spannung an das Gerät angelegt wurde.
„Zu verstehen, wann eine Veränderung der Umgebung zu einem Signalverlust führt, ist wichtig für die Entwicklung stabiler Systeme in Netzwerkanwendungen“, sagte Day.
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass sie durch die Verwendung eines lokalen elektrischen Felds die vom Defekt emittierten Wellenlängen abstimmen konnten, was für die Quantenvernetzung wichtig ist, wenn unterschiedliche Quantensysteme ausgerichtet werden müssen.
Das Team entwickelte außerdem ein Diagnosetool, um abzubilden, wie sich die Millionen im Gerät eingebetteten Defekte räumlich verändern, wenn das elektrische Feld angelegt wird.
„Wir haben festgestellt, dass die Art und Weise, wie wir die elektrische Umgebung für die Defekte verändern, ein räumliches Profil aufweist und wir es direkt abbilden können, indem wir die Änderungen in der Intensität des von den Defekten emittierten Lichts beobachten“, sagte Day.
„Durch die Verwendung so vieler Emitter und die Erhebung von Statistiken zu ihrer Leistung haben wir jetzt ein gutes Verständnis davon, wie Defekte auf Änderungen in ihrer Umgebung reagieren. Wir können diese Informationen nutzen, um zu erfahren, wie wir in zukünftigen Geräten die besten Umgebungen für diese Defekte schaffen können. Wir haben ein besseres Verständnis davon, was diese Defekte glücklich und unglücklich macht.“
Als nächstes möchte das Team dieselben Techniken nutzen, um die T-Zentrumsdefekte in Silizium zu verstehen.
Mehr Informationen:
Aaron M. Day et al, Elektrische Manipulation von Telekommunikations-Farbzentren in Silizium, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48968-w