Учёные создали гибридный чип из фосфида галлия и алмаза для квантовых сетей

Для квантовых сетей нужно соединять на больших расстояниях квантовые memory, или кубиты. Оптоволокно для этого подходит, но остаётся сложная задача: надёжно превращать информацию из кубитов в оптические фотоны, которые бегут по сети.

В новой платформе фотонные устройства из фосфида галлия (GaP) совмещены с алмазной подложкой. Они взаимодействуют с кубитом особого типа — кремний-вакансионным (SiV) центром в алмазе. Первый автор работы Николас Яма (Nicholas S. Yama) из Вашингтонского университета пояснил, что у GaP есть и сильные нелинейные свойства. Они позволяют преобразовывать частоту света, переключать и модулировать сигнал, а всё это нужно для сетей.

Как преодолели проблему расстояния

Платформу GaP на алмазе изучают больше десяти лет как масштабируемую основу для алмазных кубитов. Но добиться достаточно сильного взаимодействия между фотонными устройствами и SiV-центрами, чтобы надёжно управлять кубитами, не удавалось. Для этого нужен режим высокой кооперативности, при котором взаимодействие настолько сильно, что поведение системы становится детерминированным.

По словам Ямы, раньше слой GaP был пространственно отделён от SiV-центров в алмазе. Ранние устройства обходили это частичным травлением алмаза, но процесс нестандартный и плохо масштабируется привычными методами производства.

В 2023 году группа Кай-Мэй Фу (Kai-Mei C. Fu) показала, что устройства можно делать без изменения алмаза с помощью масштабируемого переноса штампом. Однако оптическое взаимодействие тогда было слишком слабым для практики. В новой работе структуру перепроектировали и довели технологию до совершенства: после нескольких итераций выход годных при переносе штампом вырос почти до 100%. Физическое расстояние между SiV и фотоникой включили в оптимизацию конструкции, и взаимодействие удалось сильно усилить без потерь в других характеристиках.

Неготчененный алмаз служит чистой средой для сильного взаимодействия SiV с фотонами, а GaP позволяет встроить в чип переключатели и модуляторы.

Как проверили устройства

Исследователи вырастили мембрану GaP на подложке-носителе и нанесли на неё структуры нанофотонных резонаторов методом электронно-лучевой литографии. Свойства проверили оптической спектроскопией, отобрали лучшие наборы и перенесли их на алмаз штампом. Всего изготовили более 600 резонаторов с выходом годных 99,5%, пишет Phys.org.

С помощью лазера показали кооперативность выше единицы: спиновое состояние SiV можно надёжно определять по рассеянному устройством свету. Каждое состояние даёт свою спектральную подпись, поэтому учёные смогли «увидеть», как кубит переключается между состояниями. Время спиновой релаксации превысило 0,4 миллисекунды, и вместе с высокой кооперативностью это позволило считывать электронный спин SiV за одно измерение.

Работа опубликована в журнале Optica Quantum; группа Фу работает в Вашингтонском университете и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.

Что дальше

«Если GaP на алмазе окажется жизнеспособным путём, это может быть один из самых простых путей к квантовым сетям в масштабе для практических задач, таких как защищённая связь и криптография», — сказал Яма. По его словам, технология может поддержать и квантовые вычисления.

В будущем платформу можно использовать, чтобы соединять несколько SiV-кубитов на одном чипе и встраивать рядом с ними переключение, модуляцию и волноводы вместо внешних компонентов. Сейчас показано, что ключевой элемент — связь SiV с фотоном — работает.

Дальше исследователи хотят соединить два и более устройства на одном чипе и запутать их, чтобы получить более крупный квантовый регистр. Они также планируют улучшить технологию изготовления: это повысит кооперативность и позволит создавать более сложные интегральные фотонные схемы.

Подход может подойти и не только для SiV-центров и алмаза. Кубиты, которые трудно встроить в обычную алмазную фотонику, потенциально можно совмещать с GaP на алмазе. Похожие методы можно адаптировать для других квантовых излучателей, например карбида кремния и одиночных излучателей в двумерных материалах.