Lab entwickelt neue Methode zur On-Chip-Erzeugung einzelner Photonen

Während das Gerede über die Zukunft der Quanten immer lauter wird, machen Forscher überall Überstunden, um herauszufinden, wie sie am besten das Versprechen von überlagerten, verschränkten, tunnelnden oder anderweitig für die Hauptsendezeit bereiten Quantenteilchen freisetzen können, deren Fähigkeit, in zwei Teilen aufzutreten Staaten auf einmal könnten Leistung und Effizienz in vielen Anwendungen erheblich steigern.

Entwicklungstechnisch sind Quantengeräte heute jedoch „ungefähr dort, wo der Computer in den 1950er Jahren stand“, also ganz am Anfang. Das sagt Kamyar Parto, ein Ph.D. im sechsten Jahr. Student im Labor der UC Santa Barbara von Galan Moody, einem Experten für Quantenphotonik und Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik.

Parto ist Co-Lead-Autor eines in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels Nano-Buchstabender einen entscheidenden Fortschritt beschreibt: die Entwicklung einer Art On-Chip-„Fabrik“ zur Erzeugung eines stetigen, schnellen Stroms einzelner Photonen, die für die Ermöglichung photonikbasierter Quantentechnologien unerlässlich ist.

In den frühen Stadien der Computerentwicklung erklärt Parto: „Forscher hatten gerade den Transistor hergestellt und hatten Ideen für einen digitalen Schalter, aber die Plattform war irgendwie schwach. Verschiedene Gruppen entwickelten verschiedene Plattformen, und schließlich kamen alle zusammen auf CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Dann hatten wir die riesige Explosion rund um Halbleiter.“

„Die Quantentechnologie ist an einem ähnlichen Ort – wir haben die Idee und ein Gefühl dafür, was wir damit machen könnten, und es gibt viele konkurrierende Plattformen, aber noch keinen klaren Gewinner“, fährt er fort. „Sie haben supraleitende Qubits, Spin-Qubits in Silizium, elektrostatische Spin-Qubits und Ionenfallen-basierte Quantencomputer. Microsoft versucht, topologisch geschützte Qubits herzustellen, und im Moody Lab arbeiten wir an Quantenphotonik.“

Parto prognostiziert, dass die Gewinnerplattform eine Kombination verschiedener Plattformen sein wird, da jede leistungsstark ist, aber auch Einschränkungen hat. „Zum Beispiel ist es sehr einfach, Informationen mit Quantenphotonik zu übertragen, weil Licht sich gerne bewegt“, sagt er.

„Ein Spin-Qubit macht es jedoch einfacher, Informationen zu speichern und einige lokale ‚Sachen‘ damit zu machen, aber Sie können diese Daten nicht verschieben. Warum versuchen wir also nicht, Photonik zu verwenden, um die Daten von zu übertragen? Plattform, die es besser speichert und es dann wieder in ein anderes Format umwandelt, sobald es da ist?“

Qubits, diese sich seltsam verhaltenden Treiber von Quantentechnologien, unterscheiden sich natürlich von klassischen Bits, die nur in einem einzigen Zustand von Null oder Eins existieren können. Qubits können gleichzeitig Eins und Null sein. Im Bereich der Photonik, sagte Parto, kann ein einzelnes Photon dazu gebracht werden, sowohl zu existieren (Zustand Eins) als auch nicht zu existieren (Zustand Null).

Das liegt daran, dass ein einzelnes Photon ein sogenanntes Zwei-Ebenen-System darstellt, was bedeutet, dass es in einem Nullzustand, einem Einszustand oder einer beliebigen Kombination existieren kann, wie z. B. 50 % Eins und 50 % Null oder vielleicht 80 % Eins und 20 % null. Dies kann routinemäßig in der Moody-Gruppe erfolgen. Die Herausforderung besteht darin, einzelne Photonen mit sehr hoher Effizienz zu erzeugen und zu sammeln, beispielsweise indem sie mit Wellenleitern auf einem Chip geleitet werden. Wellenleiter tun genau das, was ihr Name vermuten lässt, und leiten das Licht dorthin, wo es hin soll, ähnlich wie Drähte Strom leiten.

Parto erklärt: „Wenn wir diese einzelnen Photonen in viele verschiedene Wellenleiter stecken – tausend einzelne Photonen auf jedem Wellenleiter – und wir gewissermaßen choreografieren, wie sich die Photonen entlang der Wellenleiter auf dem Chip bewegen, können wir eine Quantenberechnung durchführen.“

Während es relativ einfach ist, Wellenleiter zu verwenden, um Photonen auf einem Chip zu leiten, ist es nicht einfach, ein einzelnes Photon zu isolieren, und es ist viel schwieriger, ein System einzurichten, das Milliarden von ihnen schnell und effizient erzeugt. Das neue Papier beschreibt eine Technik, die ein besonderes Phänomen nutzt, um einzelne Photonen mit einer viel größeren Effizienz als bisher zu erzeugen.

„Bei der Arbeit geht es darum, die Erzeugung dieser einzelnen Photonen zu verstärken, damit sie für tatsächliche Anwendungen nützlich werden“, sagt Parto. „Der in diesem Artikel beschriebene Durchbruch besteht darin, dass wir die einzelnen Photonen jetzt zuverlässig bei Raumtemperatur auf eine Weise erzeugen können, die sich für (den Massenproduktionsprozess von) CMOS eignet.“

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einzelne Photonen zu erzeugen, aber Parto und seine Kollegen nutzen Defekte in bestimmten zweidimensionalen (2D) Halbleitermaterialien, die nur ein Atom dick sind, und entfernen im Wesentlichen ein bisschen Material, um ein zu erzeugen Defekt.

„Wenn Sie Licht (von einem Laser erzeugt) auf die richtige Art von Defekt richten, reagiert das Material, indem es einzelne Photonen emittiert“, sagt Parto. „Der Defekt im Material fungiert als sogenannter geschwindigkeitsbegrenzender Zustand, der es ihm ermöglicht, sich wie eine Fabrik zu verhalten, die einzelne Photonen einzeln ausstößt.“ Ein Photon könnte alle drei bis fünf Nanosekunden erzeugt werden, aber die Forscher sind sich der Rate noch nicht sicher, und Parto, der seinen Ph.D. zum Thema Engineering solcher Defekte sagt, dass die aktuelle Rate viel langsamer sein könnte.

Ein großer Vorteil von 2D-Materialien besteht darin, dass sie sich dazu eignen, an bestimmten Stellen Defekte in sie einzubauen. Außerdem sagt Parto: „Die Materialien sind so dünn, dass man sie aufheben und auf jedes andere Material legen kann, ohne durch die Gittergeometrie eines 3D-Kristallmaterials eingeschränkt zu werden. Dadurch lässt sich das 2D-Material sehr einfach integrieren, eine Fähigkeit, die wir haben in diesem Papier zeigen.“

Um ein nützliches Gerät herzustellen, muss der Defekt auf dem 2D-Material mit äußerster Präzision in den Wellenleitern platziert werden. „Es gibt einen Punkt auf dem Material, der Licht aus einem Defekt erzeugt“, bemerkt Parto, „und wir müssen dieses einzelne Photon in einen Wellenleiter bringen.“

Forscher versuchen dies auf verschiedene Weise, indem sie beispielsweise das Material auf den Wellenleiter legen und dann nach einem vorhandenen einzelnen Defekt suchen, aber selbst wenn der Defekt genau ausgerichtet und an genau der richtigen Position ist, ist die Extraktionseffizienz gegeben nur 20 bis 30 %. Das liegt daran, dass der einzelne Defekt nur mit einer bestimmten Rate emittieren kann und ein Teil des Lichts in schrägen Winkeln emittiert wird und nicht direkt entlang des Pfades zum Wellenleiter. Die theoretische Obergrenze dieses Designs liegt bei nur 40 %, aber die Herstellung eines nützlichen Geräts für Quanteninformationsanwendungen erfordert eine Extraktionseffizienz von 99,99 %.

„Das Licht eines Defekts scheint von Natur aus überall hin, aber wir ziehen es vor, dass es in diese Wellenleiter scheint“, erklärt Parto. „Wir haben zwei Möglichkeiten. Wenn Sie Wellenleiter auf den Defekt legen, würden vielleicht zehn bis fünfzehn Prozent des Lichts in die Wellenleiter gelangen. Das ist nicht genug. Aber es gibt ein physikalisches Phänomen namens Purcell-Effekt, das wir nutzen können Um diese Effizienz zu steigern und mehr Licht in den Wellenleiter zu leiten, platzieren Sie den Defekt in einem optischen Hohlraum – in unserem Fall in Form eines Mikroringresonators, der einer der wenigen Hohlräume ist, der dies ermöglicht Licht in und aus einem Wellenleiter zu koppeln.“

„Wenn der Hohlraum klein genug ist“, fügte er hinzu, „drückt er die Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Felds aus, und diese Fluktuationen verursachen die spontane Emission von Photonen aus dem Defekt in einen Lichtmodus. Durch Quetschen dieser Quantenfluktuation in einen Hohlraum mit endlichem Volumen, wird die Fluktuation über dem Defekt erhöht, wodurch Licht bevorzugt in den Ring emittiert wird, wo es beschleunigt und heller wird, wodurch die Extraktionseffizienz erhöht wird.

In Experimenten mit dem Mikroringresonator, die für dieses Papier durchgeführt wurden, erreichte das Team eine Extraktionseffizienz von 46 %, was eine Steigerung um eine Größenordnung gegenüber früheren Berichten darstellt.

„Wir sind von diesen Ergebnissen wirklich ermutigt, da Einzelphotonenemitter in 2D-Materialien einige der herausragenden Herausforderungen angehen, denen andere Materialien in Bezug auf Skalierbarkeit und Herstellbarkeit gegenüberstehen“, sagt Moody. „Kurzfristig werden wir ihre Verwendung für einige verschiedene Anwendungen in der Quantenkommunikation untersuchen, aber langfristig ist es unser Ziel, diese Plattform für Quantencomputing und -netzwerke weiterzuentwickeln.“

Dazu muss die Gruppe ihren Wirkungsgrad auf über 99 % verbessern, und um dies zu erreichen, sind hochwertigere Nitrid-Resonatorringe erforderlich. „Um die Effizienz zu steigern, müssen Sie den Ring glätten, wenn Sie ihn aus dem Siliziumnitridfilm herausschneiden“, erklärt Parto. „Wenn das Material selbst jedoch nicht vollständig kristallin ist, selbst wenn Sie versuchen, es auf atomarer Ebene zu glätten, könnten die Oberflächen immer noch rau und schwammartig aussehen, wodurch das Licht von ihnen gestreut wird.“

Während einige Gruppen das hochwertigste Nitrid erzielen, indem sie es von Unternehmen kaufen, die es perfekt anbauen, erklärt Parto: „Wir müssen es selbst anbauen, weil wir den Defekt unter das Material bringen müssen, und außerdem verwenden wir ein spezielles Art von Siliziumnitrid, das das Hintergrundlicht für Einzelphotonenanwendungen minimiert, und die Unternehmen tun das nicht.“

Parto kann seine Nitride in einem plasmaunterstützten Ofen für chemische Gasphasenabscheidung im Reinraum der UCSB züchten, aber da es sich um eine stark genutzte gemeinsam genutzte Einrichtung handelt, kann er einige Einstellungen nicht anpassen, die es ihm ermöglichen würden, Material von ausreichender Qualität zu züchten. Der Plan, sagt er, sei es, diese Ergebnisse zu nutzen, um neue Stipendien zu beantragen, die es ermöglichen würden, „unsere eigenen Werkzeuge zu bekommen und Studenten für diese Arbeit einzustellen“.