Инженеры из Университета Райса продемонстрировали способ управления оптическими свойствами атомных дефектов в кремнии, известных как T-центры, что открывает путь к использованию этих точечных дефектов для создания квантовых узлов для масштабных квантовых сетей.
«T-центры — это тип атомных дефектов в регулярной кристаллической решетке кремния», — пояснил Сонгтао Чен, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники. «T-центры вызывают большой интерес, поскольку они показывают потенциал как строительные блоки кубитов для квантовых сетей. Они испускают одиночные фотоны на длине волны, подходящей для телекоммуникаций, но обладают низкой скоростью испускания фотонов».
Спонтанное излучение — это процесс, при котором квантовая система, такая как атом или молекула, переходит в состояние с более низкой энергией, высвобождая часть своей энергии в форме фотона. Ускорение этого процесса в T-центрах является одной из задач, которую ученым необходимо решить, чтобы сделать кубиты на основе T-центров жизнеспособными.
В рамках исследования команда Чена встроила T-центр в фотонную интегрированную схему, что позволило увеличить эффективность сбора фотонов в два порядка по сравнению с типичными экспериментами. Как говорится в исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, команда показала, что взаимодействие с фотонной кристаллической полостью увеличивает скорость излучения фотонов в T-центре в семь раз, используя эффект Пурселя.
«Цель нашего эксперимента состояла в том, чтобы продемонстрировать возможность изменения оптических свойств одиночных T-центров в кремнии», — сказал аспирант из Университета Райса Ю-Эн Вонг, соавтор исследования. «Оказалось, что структура фотонной полости действительно влияет на скорость излучения фотонов в T-центре».
Чем сильнее взаимодействие между фотонной полостью и T-центром, тем быстрее происходит обмен энергией между ними, что сокращает время хранения энергии в T-центре.
«Это и есть эффект Пурселя», — добавил аспирант Адам Джонстон, соавтор исследования. «Мы показали, что можем использовать этот эффект для достижения самого чистого одиночного фотонного излучения среди всех цветовых центров в кремнии на сегодняшний день и максимального увеличения скорости излучения фотонов для одного T-центра».
Это открытие является важным шагом на пути к развитию квантовых сетей, которые используют квантовые свойства фотонов для кодирования информации, что позволяет значительно усилить вычислительную мощность и повысить уровень безопасности.
«Безопасность квантовых коммуникаций обеспечивается фундаментальными принципами квантовой механики, что позволяет с высокой вероятностью обнаружить перехватчиков и таким образом защитить конфиденциальные данные», — отметил Улисес Феликс-Рендон, соавтор исследования и докторант прикладной физики.
«Такие компании, как Google и IBM, уже продемонстрировали значительные преимущества квантовых компьютеров по сравнению с классическими», — добавил он. «Однако многие из самых продвинутых квантовых компьютеров в мире ограничены передачей информации по проводам, охлажденным до криогенных температур, что ограничивает масштабируемость этих систем. Мы надеемся, что наши исследования помогут в создании квантовых сетей для соединения удаленных квантовых компьютеров и преодоления текущих ограничений квантовой технологии».